Системно-информационный подход к оценке безопасности пространственных процессов в человеко-машинных системах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.1.003

Я. А. Ивакин, д-р. техн. наук,

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН, А. Н. Печников, д-р пед. наук, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России,

А. А. Потапов, начальник отдела 1-го ЦНИИ ВМФ — филиала ВУНЦ ВМФ «ВМА им. Н. Г. Кузнецова»

Системно-информационный подход к оценке безопасности пространственных процессов в человеко-машинных системах

Ключевые слова: диспетчеризация пространственных процессов, безопасность протекания пространственных процессов, неорганизованность пространственных процессов, онтология безопасности, безопасность и эффективность

В качестве средства, способного снизить риски возникновения чрезвычайных ситуаций по причинам человеческого фактора, рассматривается интеллектуализация геоинформационных систем (ГИС). Характеристики ГИС определяют целесообразность их использования при автоматизации оценки безопасности пространственных процессов. Проводятся математические модели оценки безопасности пространственных процессов.

Движение любого пространственного объекта (самолета, автомобиля, морского судна, космического корабля и т. д.) потенциально опасно как для него самого, так и для окружающих его объектов. В зонах интенсивного движения таких объектов всегда существует высокий уровень риска возникновения чрезвычайных ситуаций (катастроф, аварий и т. п.). На снижение этих рисков ориентированы автоматизированные системы диспетчеризации пространственных процессов (АСДПП), активно используемые в управлении всеми видами транспортных потоков. Однако развитие АСДПП не исключает возможности аварий и катастроф по вине диспетчеров. Так, Ту-154, разбившийся в августе 1996 г. на Шпицбергене, врезался в гору из-за того, что экипаж неправильно понял команду диспетчера. Вина за катастрофу в аэропорту Дели в 1995 г., когда Ил-76 налетел на «Боинг-747», безусловно лежит на диспетчерской службе. По вине диспетчера в 1996 г. в Турине разбился самолет Ан-124 «Руслан». Столкновение двух самолетов в небе над Боденским озером на границе Швейцарии и Германии в 2002 г. произошло во вине диспетчера. Аналогичные факты можно привести и в отношении других видов транспорта.

В качестве средства, способного снизить риски возникновения чрезвычайных ситуаций по причинам человеческого фактора (например, усталость,

невнимание диспетчеров и капитанов судов), рассматривается интеллектуализация геоинформационных систем (ГИС). Современные ГИС, устанавливаемые в диспетчерских пунктах и на абсолютном большинстве пространственных объектов, способны интегрировать и адекватно отображать любую информацию об окружающей среде, позициях и динамике движения объектов. Другими словами, ГИС способны адекватно отображать текущую пространственную ситуацию, которая имеет место в районе движения объекта или в зоне ответственности диспетчера. Кроме того, в ГИС имеется весь объем информации, необходимой для прогнозирования развития текущих ситуаций. Эти характеристики ГИС определяют целесообразность их использования в автоматизации оценки безопасности пространственных процессов. Теоретическую основу предлагаемого подхода к оценке безопасности пространственных процессов в ГИС составляет концепция системно-информационного анализа Ю. М. Горского [1, 2].

Пусть задачей функционирования АСДПП является достижение цели К обеспечения безопасности пространственного процесса, имеющей ряд подцелей К ( = 1, п). Абсолютное достижение каждой из подцелей К1 характеризуется эталонным значением хэт соответствующего параметра. Области определения подцелей К1 (рис. 1) заданы в га-мерном пространстве параметров в виде двух гиперсфер радиусами г1 и Я, соответственно определяющих 1(хъ г) и 1(хо г), т. е. областей: полного и частичного достижения целей К1 и полного недостижения целей Кг

Отклонение вектора ^ от хэт вызывает ухудшение качества функционирования АСДПП в отношении цели К, т. е. наносит некоторый «ущерб» Е1 качеству ее функционирования. В системно-информационном анализе [1, 2] оценка «ущерба» Е1 основана на понятиях неупорядоченности, неорганизованности и полезной информации управления.

Рис. 1 Представление цели и «ущерба» от ее недостижения в «узком» смысле:

а. — область определения цели К1 в координатах Х10Х2; 1 — область полного достижения цели К; 2 — область частичного достижения цели К; 3 — область полного недостижения цели К; 1(х0 г) — опасная граница; 1(хв г) — внутренняя граница; Е — «ущерб» от недостижения цели; ЛЕ(о. г), АЕ(в. г) — скачки «ущерба» на 1(х0 1(хв г); ЛЕ — скачок прибыли; q — удаленность рассматриваемой реализации от центра области 1

Неупорядоченность — это мера различия какого-либо выбранного параметра х. в отношении эталона порядка хэт, которая стремится к нулю при х1 ^ хят. Неорганизованность — это характеристика неупорядоченности (в смысле «ущербности») ее проявления в отношении определенных показателей качества функционирования системы. Полезной информацией являются те характеристики неорганизованности системы и окружающей среды, которые, будучи использованными в исполнительных органах, способны уменьшить неорганизованность функционирования системы в отношении рассматриваемой ¿-й цели.

В соответствии с требованиями системно-информационного анализа в качестве основы для разработки моделей оценки безопасности пространственных ситуаций приняты следующие положения.

1. Все цели функционирования АСДПП формулируются в «узком» смысле. За формулировку ¿-й цели управления в «узком» смысле понимается ее задание в виде (см. рис. 1): а) эталонного значения ВКП хэт, определяющего абсолютное достижение ¿-й цели; б) радиуса г. границы 1(х ) области полно-

го достижения ¿-й цели; в) радиуса границы 1(хо г) области частичного достижения ¿-й цели.

2. Все информационные процессы для их прагматической оценки будем рассматривать только в отношении целей, заданных в «узком» смысле.

3. Все подцели К. одной цели К в отношении их влияния на цель разделим на две группы — определяющие Ко и дополняющие КдГ Определяющая подцель Кы — это подцель, полное недостижение которой приводит к полному недостижению цели К, а полное достижение цели К возможно только при полном достижении каждой из этих подцелей КоГ Достижение подцелей Ко является необходимым условием достижения цели К. Дополняющая подцель К^ — подцель, полное недостижение которой приводит к частичному недостижению цели К. Достижение подцелей Кявляется достаточным условием достижения цели К.

4. В соответствие любой из рассматриваемых подцелей К. цели К может быть поставлен параметр х. пространственной ситуации, который является показателем результативности достижения рассматриваемой подцели К.

Рассмотрим пространственную ситуацию с позиций оценки неупорядоченности описывающих ее характеристик. В соответствии с работами [1, 2] имеется принципиальная возможность оценки неупорядоченности любой характеристики. Одновременно с этим в «узком» смысле сформулирована подцель К., описываемая рассматриваемой характеристикой, а значит, задан показатель х.. Абсолютное отклонение измеренного значения х.. от его эталонного значения хэт. всегда характеризуется систематической погрешностью 5С и случайной погрешностью 5сл. При этом систематическая погрешность 5С определяется качеством управления пространственными процессами в АСДПП (характеристиками техническими средств позиционирования пространственных объектов, методов обработки информации о них и методов управления ими), а случайная погрешность 5сл — степенью воздействия большого числа трудно учитываемых и быстро меняющихся факторов. При данном уровне качества управления пространственными процессами в АСДПП, характеризуемом систематической погрешностью 5С, абсолютная величина 5 этого отклонения может рассматриваться как случайная. Тогда согласно неравенству Чебышева при любом законе распределения 5 имеем:

Ъ {{ - ■

и | - 1Х1! -

(1)

где х. - х =5 — абсолютное отклонение показате-

^ I этг

ля х. от эталона хэт; — вероятность недостижения цели К; а2х — дисперсия показателя х; — радиус 1(хо г) области определения х..

Из (1) следует, что вероятность полного недостижения подцели К. при любом законе распределения ограничена сверху величиной

№ 2(В)/2010[

биотехносфера

Человеко-машинные системы

к

2 '

(2)

которая и является вполне корректной ее оценкой. Для определения оценки Их дисперсии а2х применим метод моментов. С учетом того, что х . явля-

ется истинным значением х,., имеем:

\2

1

== п -

X,

п 1=1

ЭТ.-

(3)

С учетом (3) оценка (1) вероятности недостижения цели К, сформулированной в «узком» смысле, примет вид

\2

=

пЯГ

(4)

Задание целей К. в «узком» смысле и оценка степени их достижения в соответствии с (4) позволяют на предельно высоком уровне абстракции в единой мере представлять любые разнородные характеристики пространственных ситуаций и оценивать их неупорядоченность в отношении целей обеспечения безопасности пространственных процессов. Выполняемые в соответствии с (4) преобразования с позиций теории измерений и эргономики являются допустимым степенным функциональным преобразованием шкал измерения множества показателей {х} и их приведения к единой количественной шкале измерения вероятности д недостижения соответствующей подцели (абсолютная шкала). Показатель д1 соответствует всем требованиям, предъявляемым теорией эффективности к критерию.

Зависимость (4) определяет вид функции ср в единой шкале Ьд = \Х,ф,^ измерения показателей {х}, что, в свою очередь, дает возможность, абстрагируясь от качественной стороны характеристик пространственных процессов, на основе теории системно-информационного анализа разработать систему прагматической оценки информационных процессов в АСДПП, а в терминах теории эффективности — определить вид функции у полезности достигнутого значения показателя х для достижения соответствующей ему подцели К обеспечения безопасности этих процессов. Основанием для выбора возможных видов функции у в шкале = (Я, О измерения неорганизованности и в шкале ^ = (Я, V, /) измерения информации являются данные инженерной психологии и психофизики. В этих научных дисциплинах формулируется положение о существовании некоторой единой общечеловеческой системы предпочтений в отношении качества оцениваемых процессов и результатов деятельности. Как основная закономерность этой системы предпочтений указывается логарифмический характер зависимости оценок качества процессов от показателей этих процессов.

С учетом указанной закономерности системы предпочтений определим основные информацион-

ные характеристики пространственных ситуаций в следующем наиболее удобном и простом виде.

1. Абсолютная неупорядоченность по ¿-му показателю как вероятность д1 (4) недостижения сформулированной в «узком» смысле цели К.:

Уи

(5)

где эталон порядка дзт. = 0 при х. = хэтГ

2. Сравнительная неупорядоченность по ¿-му показателю

У1с =-77 - С, - (7

где е(д) — д на границе 1(х ) области полного достижения цели К.; С — коэффициент, определяемый из условия уи = 0 при д1 = е(д). Откуда

V 1.

У/ с , .. •

(6)

3. Параметр неупорядоченности по ¿-му показателю

рь = Уи + С>

где С — коэффициент, определяемый из условия У(Р1с) = 0 при У1с =

Примем, что у — логарифмическая функция, тогда

Р. =

- (?)

(7)

4. Единичная неорганизованность по ¿-му показателю

О = 10£2

- (7

(8)

Следует отметить, что при д1 < е(д) величина уи отрицательна и понятие неорганизованности теряет смысл. В данном случае пространственный процесс по рассматриваемому показателю х. полностью организован и имеет место избыточная упорядоченность. Избыточную упорядоченность по результатам ее проявления делят на два вида: бесполезную и полезную. Избыточная упорядоченность считается полезной для определения абсолютной неупорядоченности уш = д. (5) и бесполезной для определения сравнительной неупорядоченности и неорганизованности, т. е. при д1 < е(д) в (6), (8) будем принимать д1 = е(д). Характер изменения принятых форм представления неупорядоченности и неорганизованности приведен на рис. 2.

5. Полезная информация по ¿-му показателю определяется с учетом того положения, что все управляющие воздействия по изменению ¿-го показателя и предотвращению возникновения опасной ситуации по цели К. осуществляются только средствами управления АСДПП (диспетчером).

Пусть безопасность текущей пространственной ситуации оценивается по ¿-му показателю, характеризующемуся абсолютной неупорядоченностью д. > е(д().

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 у1„ (а)

Рис. 2

Характер изменения неупорядоченности и неорганизованности пространственной ситуации по ъ-му показателю при £(д) = 0,0625

Оценим качество функционирования АСДПП путем оценки количества информации, реализованной средствами управления АСДПП (диспетчером) при организации рассматриваемого пространственного процесса. Такая оценка определяется формулировкой целей АСДПП.

Если цель АСДПП формулируется как обеспечение безопасности пространственных процессов, т. е. как исключение возможности возникновения опасных ситуаций, то качество организации рассматриваемого пространственного процесса оценивается относительно опасной ситуации, характеризуемой д.оп = 1:

= о_

= 1о£,

?,0П Е (д)

е (д) д

= 1о£2 -, (9)

где е(д) > 0.

Формула (9) соответствует определению целевой статистической энтропии и информации опыта. Количество полезной информации, определенное по (9), является мерой снятой неопределенности достижения цели К. и неорганизованности управляемого объекта, устраненной диспетчером как узлом управления в текущий момент времени. Показатель (9) является показателем «чем больше, тем лучше». Он может быть использован для классификации рассматриваемой текущей ситуации как «штатной» или «нештатной» путем задания условно опасной границы (УОГ) достижения цели К. обеспечения безопасности пространственных процессов.

УОГ задается экспертами исходя из особенностей рассматриваемых пространственных процессов путем задания некоторого значения доп > дшт > е (д), до достижения которого течение рассматриваемого пространственного процесса рассматривается как «штатное», а при превышении — как «нештатное». Другими словами, при qi < неорганизованность пространственного процесса, оцениваемая по (8),

рассматривается как допустимая, а полезность управляющих воздействий, оцениваемая по (9), — как достаточная. При д > дшт неорганизованность пространственного процесса рассматривается как недопустимая, а полезность управляющих воздействий, оцениваемая по (9), — как недостаточная. Соответственно при д > дшт и сама текущая пространственная ситуация рассматривается как «нештатная» и требующая корректирующих воздействий средств организации АСДПП (диспетчера). Тогда оценка «штатности» текущей пространственной ситуации на основе (9) сводится (рис. 3):

1) к оценке количества полезной информации, реализуемой средствами АСДПП на УОГ (дшт) достижения цели ее функционирования:

= О,

■ О™ = ^

е(д) дшт

= 1ог

д

' (10)

где е(д) > 0;

2) оценке «штатности» текущей ситуации по критерию

топ.тек > -оп.шт -оп.тек < -оп.шт

— «штатная» ситуация;

— «нештатная» ситуация,

(11)

Если цель АСДПП формулируется как обеспечение «штатного» (^ < ) протекания пространственных процессов, то оценка по (9) осуществляется относительно неорганизованности «штатной» ситуации и определяет дефицит в АСДПП полезной управляющей информации:

7тек.шт = 0 ^ 0 =

-*•/• ^тек ^ "шт

= 10£

Ъ е (д)

Е (д) д7шт

= 1о*2 -Ъ-.

° ^ шт д

(12)

При таком подходе оценка «штатности» текущей ситуации (рис. 4) осуществляется по критерию

< 0 — «штатная» ситуация,

> 0

«нештатная» ситуация.

(13)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 у, (а)

Ри.Г. 3

Идентификация «штатных» и «нештатных» ситуаций по критерию (11) приа™т = 0,25

№ 2(В)/2010|

биотехносфера

УОГ «Нештатные» ситуации I г

Рис. 4

Идентификация «штатных» и «нештатных» ситуаций по критерию (13) при^т = 0,25

6. Полезную информацию по всему комплексу параметров пространственной ситуации определим на основе введенных выше понятий определяющей Кы и дополняющей Кподцелей. Тогда вероятность д = Уа недостижения цели К определится обоснованным в [1] выражением

Уа =

= 1 -

П(1

1=1

( п \

1 - X т1%1 1=1+1

при X щ -

1=1+1

(14)

где!

— д. определяющих и дополняющих под-

целей; т. — вес дополняющей подцели. Если все цели определяющие,

д™ = 1 -П(1 - Ъ )■

1=\

Если все цели дополняющие,

д™ =Х щд,.

1=1

(15)

(16)

При подстановке ?тек в (9)-(13) получим соответствующие оценки, обобщенные по всему множеству рассматриваемых показателей.

Приведенные модели оценки неупорядоченности и неорганизованности пространственных ситуаций, а также полезности воздействий средств АСДПП обеспечивают оценку качества управления

1 11 + 1

Рис. 5

Схема процедуры (14) как процедуры агрегирования частных показателей в интегральный показатель

пространственными процессами при любом конечном множестве их учитываемых характеристик, что определяет целесообразность их применения для оценки текущих пространственных ситуаций в ГИС. Однако рассмотренные процедуры имеют одно ограничение, которое связано со структурой оцениваемых характеристик (показателей). На рис. 5 приведена структура процедуры (14) как процедуры агрегирования частных показателей в интегральный показатель.

Суть того ограничения, которое накладывает приведенная на рис. 5 схема агрегирования частных показателей, состоит в том, что в (14)-(16) все объединяемые неупорядоченности рассматриваются как одноуровневые, т. е. принадлежащие к одному уровню иерархии.

Данное ограничение не соответствует природе пространственных ситуаций, которая характеризуется иерархической структурой показателей, позволяющих идентифицировать и оценивать рассматриваемую ситуацию. Это ограничение может быть снято на основе использования (14) для разработки процедуры агрегирования той иерархической системы показателей, которые описывают в ГИС текущую или прогнозируемую пространственную ситуацию.

| Л и т е р а т у р а |

1. Горский Ю. М. Информационные аспекты управления и моделирования. М.: Наука, 1978. 365 с.

2. Горский Ю. М. Системно-информационный анализ процессов управления. Новосибирск: Наука, 1988. 398 с.