МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ

На правах рукописи
Нгуен Куанг Тханг
МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ
УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В СИСТЕМАХ КОМПЛЕКСНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ
Специальность: 05.13.10 "Управление в социальных
и экономических системах"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
учёной степени кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в учебно-научном комплексе автоматизированных систем
и информационных технологий ФГБОУ “Академия Государственной противопожарной службы МЧС России”
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Топольский Николай Григорьевич
Заслуженный деятель науки РФ
доктор технических наук, профессор,
научный руководитель УНК АСИТ
Академии ГПС МЧС России
Соколов Сергей Викторович
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры управления и экономики ГПСАкадемии ГПС МЧС России
Порошин Александр Алексеевич
доктор технических наук, старший научный сотрудник, начальник научноисследовательского центра УИТ ПСС
ФГБУ ВНИИПО МЧС России
ФГБУ “Всероссийский НИИ по проблемам
гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций (Федеральный центр науки и высоких технологий) МЧС России”
Защита диссертации состоится «11» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДС 205.002.01 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, д.4, зал Совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.
Автореферат разослан «08» ноября 2013 г.
Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в Академию Государственной противопожарной службы МЧС России по
указанному адресу.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
2
С.Ю. Бутузов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Длительное время во всех городах
Вьетнама строились только малоэтажные здания. Но с конца 20-го века и до
настоящего времени на территории страны было построено большое количество высотных зданий, в основном в городах Ханой и Хошимин, которые занимают первое и второе места по сравнению с общим количеством (98%) строящихся зданий. Одной из тенденций развития современных городов Вьетнама
является расширенное строительство многофункциональных высотных зданий
(МВЗ) и сооружений: административных, финансовых, торговых и других центров; супермаркетов и рыночных комплексов; спортивных сооружений; жилых
домов (которые, по сути, тоже являются многофункциональными, поскольку,
кроме жилых помещений, в них могут располагаться магазины, гаражи, кинотеатры, рестораны, офисы, спортивные залы и бассейны, сауны и помещения
иного назначения).
В связи с массовым строительством высотных зданий в последнее время
достаточно остро встал вопрос об обеспечении безопасности людей. Поэтому
обеспечение комплексной безопасности людей и самих зданий приобретает в
современных условиях особое значение.
На современных высотных зданиях Вьетнама существуют локальные системы обеспечения безопасности (система мониторинга и управления инженерным оборудованием, система мониторинга состояния инженерно-технических
конструкций здания и др.). Но каждая система выполнена автономно, связи
между ними отсутствуют. Это не позволяет создавать системы, объединяющие
все эти системы в единый комплекс с инженерно-техническими средствами для
обеспечения безопасности объекта.
Кроме того в существующих системах безопасности многофункциональных высотных зданий отсутствуют системы поддержки принятия управленческих решений (СППУР), помогающие лицам, принимающим решения (ЛПР), в
обеспечении безопасности МВЗ.
Отмеченные недостатки устраняются при проектировании и внедрении на
высотных зданиях автоматизированных интегрированных систем управления
комплексной безопасностью и использовании СППУР для обоснования принимаемых решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций
(ЧС) и пожаров, обеспечению антитеррористической защиты.
3
Весьма перспективным в СППУР в условиях неопределённости опасных
факторов ЧС и пожаров является использование теоретико-игровых методов
и моделей. Первые результаты в этом направлении были получены в 1993-1996
гг. Н.Г. Топольским и М.Б. Домбровским, продолженные впоследствии рядом
других исследователей – И.М. Тетериным, В.М. Климовцовым и другими. Однако до сегодняшнего времени остается нерешенным ряд задач в этой области,
к которым в частности относятся задачи теоретико-игрового моделирования
противопожарной и антитеррористической защиты в системах комплексной
безопасности МВЗ.
Объектом исследования является система обеспечения комплексной
безопасности высотных зданий Вьетнама, а предметом исследования–модели
и алгоритмы принятия управленческих решений для обеспечения комплексной
безопасности многофункциональных высотных зданий Вьетнама.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности
системы обеспечения комплексной безопасности высотных зданий Вьетнама на
основе моделей и алгоритмов принятия управленческих решений в системе
обеспечения комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий Вьетнама на примере систем пожарной безопасности и антитеррористической защиты как наиболее важных, сложных, дорогостоящих и ресурсоёмких
систем.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие
основные задачи:
- анализ угроз многофункциональным высотным зданиям Вьетнама;
- разработка моделей и алгоритмов поддержки принятия решений при
управлении пожарной безопасностью многофункциональных высотных зданий,
включающем управление эвакуацией людей и управление проведением спасательных работ в условиях неопределенности;
- разработка моделей поддержки принятия решений в системе управления антитеррористической защитой многофункциональных высотных зданий в
условиях неопределенности.
Методы исследования. Основными методами исследования являются
методы системного анализа и исследования операций, теории игр, теории вероятностей, теории принятия решений, статистического анализа и др.
4
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Выполнен анализ характера угроз многофункциональным высотным
зданиям Вьетнама, а также произведена оценка влияния социальных и климатических особенностей Вьетнама на их безопасность.
2. Разработаны теоретико-игровые модели и алгоритмы для систем поддержки принятия решений по управлению противопожарной защитой и управлению эвакуацией людей из многофункциональных высотных зданий.
3. Разработаны теоретико-игровые модели для использования в системе
поддержки принятия решений по управлению антитеррористической защитой
многофункциональных высотных зданий.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов на этапах проектирования, строительства и
эксплуатации автоматизированных систем комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий и технической реализации автоматизированных систем предотвращения чрезвычайных ситуаций и пожаров, их своевременного обнаружения, эвакуации и спасения людей, ликвидации чрезвычайных ситуацийи пожаров, обеспечения антитеррористической защиты МВЗ.
Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты исследований нашли практическое применение:
- при проектировании, строительстве и эксплуатации многофункциональных высотных зданий городов Ханой и Хошимин Вьетнама;
- в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательской работы в учебно-научном комплексе автоматизированных систем и информационных технологий Академии Государственной противопожарной службы МЧС
России и на кафедре пожарной тактики Института противопожарной безопасности Министерства общественной безопасности Вьетнама;
- при подготовке учений пожарных подразделений в Главном управлении пожарной охраны Вьетнама и в управлениях пожарной охраны г. Ханойи г.
Хошимин.
Реализация результатов исследований подтверждена соответствующими
актами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы отражены в докладах и сообщениях, обсуждены и получили одобрение в 20112012 гг. на 20-й, 21-ймеждународных научно-технических конференциях “Системы безопасности” (СБ-2011,СБ-2012)(Москва); 1 и 2 международных науч5
но-практических конференциях молодых учёных и специалистов по проблемам
техносферной безопасности ПТБ-2012, ПТБ-2013 (Москва), II научнопрактической конференции “Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации” 2013 г. (Москва); на научных семинарах и совместных заседаниях учебнонаучного комплекса автоматизированных систем и информационных технологий и кафедры пожарной автоматики Академии ГПС МЧС России.
Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 15
работ, из них 3 опубликованы в журналах, включенных в перечень ВАК, 6 работ опубликованы в единоличном авторстве, получено 3 свидетельства Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора. В совместных публикациях [2-3, 7, 14,15] основные результаты, связанные с разработкой теоретико–игровых и графовых моделей и алгоритмов поддержки принятия решений в системах обеспечения пожарной безопасности и антитеррористической защиты многофункциональных
высотных зданий Вьетнама получены автором самостоятельно. В разработке
программ реализации алгоритмов на ЭВМ [10-13] автору принадлежат постановка задачи, разработка и обоснование алгоритмов и участие в программировании.
На защиту выносятся:
- результаты анализа характера опасностей многофункциональных высотных зданий Вьетнама, а также влияния социальных и климатических особенностей Вьетнама на безопасность многофункциональных высотных зданий;
- теоретико-игровые модели и алгоритмы поддержки принятия решений
по управлению противопожарной защитой многофункциональных высотных
зданий, управлению эвакуацией людей, проведением спасательных работ в
многофункциональных высотных зданиях;
- теоретико-игровые модели, предназначенные для поддержки принятия
управленческих решений в системеантитеррористической защитымногофункциональных высотных зданий.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения,
списка использованной литературы из 109 наименований и трех приложений.
Основное содержание работы изложено на 169 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 20 таблиц.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены объект и предмет исследования, сформулированы его цель и задачи. Изложены методология, новизна и практическая значимость проведенного исследования.
Первая глава диссертации “Комплексная безопасность многофункциональных высотных зданий Вьетнама” является вводной, обзорной и постановочной. В ней отмечено, что многофункциональные высотные здания обладают рядом преимуществ, приведенных в диссертации.
В высотных зданиях Вьетнама существуют подсистемы обеспечения безопасности, но, как правило, каждая из них выполнена автономно,что не позволяет создавать системы, объединяющие все эти подсистемы в единый комплекс
с инженерно-техническими средствами для обеспечения комплексной безопасности объекта. Отмеченные недостатки ликвидируются при проектировании и
внедрении на высотных зданиях системы управления комплексной безопасностью.
В этом случае многофункциональное высотное здание рассматривается
как сложная техническая система, включающая в себя систему строительных
конструкций, систему безопасности и ряд систем инженерно-технического
обеспечения, в том числе жизнеобеспечения, реализации процессов поддержания комфорта, энерго- и ресурсосбережения, которые взаимодействуют между
собой и средой, а само здание взаимодействует с внешним окружением на градостроительном, ресурсном, структурном, функциональном, информационном
уровнях в заданных географических, геологических, климатических и иных
местных условиях.
Эффективность действий всех этих систем в критической ситуации во
многом зависит от поддержки принятия управленческих решений, поэтому необходимым условием их успешного функционирования является требование
минимизировать влияние ошибочных действий персонала на правильность
принятия решения в процессе предупреждения ликвидации ЧС или пожара и
требование обеспечения научного обоснования и оптимизации принимаемых
решений.
В связи с этим возникает задача теоретико-игрового моделирования работы дежурно-диспетчерских служб многофункциональных высотных зданий а
также сил и средств пожарно-спасательных формирований при ЧС и пожарах
на МВЗ дляоптимизации их действий по предупреждению и ликвидации ЧС и
пожаров с помощью поддержки принятия решений в составе автоматизирован7
ной интегрированной системы комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий в условиях неопределенности, как правило, имеющей место при этих событиях.
Сегодня существует необходимость в разработке дополнительного математического аппарата для решения оптимизационных задач, который являлся
бы теоретической основой проблемно-ориентированных систем управления, а
именно, необходимо повышение уровня безопасности высотных зданий за счет
разработки формализованных методов построения и алгоритмизации систем
управления комплексной безопасностью с учетом социальных и климатических
условий Вьетнама и с использованием информационных технологий и оптимизационных теоретико-игровых методов, приспособленных для принятия решений в условиях неопределенности.
Показано, что наибольший интерес представляют теоретико-игровые методы в системе обеспечения пожарной безопасности и системе защиты от терроризма МВЗ как наиболее важных, сложных, ресурсоемких и дорогостоящих
подсистем интегрированной системы комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий.
Во второй главе “Применение математической теории игр при поддержке принятия решений в управлении пожарной безопасностью многофункциональных высотных зданий” рассмотрена пожарная обстановка в
многофункциональных высотных зданиях Вьетнама.
Отмечено, что многофункциональные высотные здания в силу своей специфики имеют большую степень потенциальной пожарной опасности в сравнении с обычными зданиями. В табл. 1 представлена динамика роста числа пожаров в многофункциональных высотных зданиях Вьетнама за период 2008-2012 гг.
Таблица 1
Динамика числа пожаров в многофункциональных высотных зданиях
Вьетнама за период 2008-2012 гг.
8
Годы
Число пожаров в многофункциональных
высотных зданиях
Ущерб от пожаров
млн. донгов
2008
1
410,5
2009
5
3125,7
2010
7
4511,8
2011
12
8755,9
2012
20
26443,8
Итого
45
43247,7
Отмечено, что социальные и климатические условия Вьетнама в значительной степени влияют на различные аспекты противопожарной защиты высотных зданий: влажность оказывает существенное влияние на огнестойкость
железобетонных конструкций и объемно-планировочные решения зданий и сооружений, температура и ветер – на эффективность противодымной защиты.
По данным Управления пожарной охраны Вьетнама, в большинстве высотных зданий нарушаются требования пожарной безопасности. Основные
причины приведены в табл. 2.
Таблица 2
Основные нарушения требований пожарной безопасности в многофункциональных высотных зданиях Вьетнама
Нарушение требований
Правила пожарной безопасности
Число (%)
15,33%
Надзор за выполнением требований пожарной безопасности
5,57%
План тушения пожара
11,82%
Эвакуационные пути и выходы
18,25%
Пожарная автоматика и сигнализация
4,76%
Противодымная защита
4,00%
Противопожарное оборудование
16,86%
Противопожарные преграды
2,7%
Системы аварийного и эвакуационного освещения
12,94%
Противопожарное водоснабжение
1,95%
Система удаления отходов
2,00 %
Другие причины
4,08%
Таким образом, изучение и анализ опыта противопожарной защиты высотных многофункциональных зданий показывает, что эти пожары представляют
большую опасность для людей и трудности для пожарных подразделений при спасении и эвакуации людей и ликвидации пожаров. Поэтому во Вьетнаме для создания эффективной системы пожарной безопасности высотных многофункциональных зданий необходимы комплексные решения организационных, технических,
нормативно-правовых проблем по обеспечению безопасности населения современных мегаполисов. Исследование и разработка систем поддержки принятия
решений, использующих современные научные методы и моделии новые информационные технологии для обеспечения противопожарной и антитеррори-
9
стической защиты многофункциональных высотных зданий является важной и
актуальной задачей для Вьетнама.
При принятии решении по обеспечению пожарной безопасности приходится сталкиваться с недостаточностью конкретной информации о ряде факторов пожара: известными бывают перечни факторов пожара, диапазоны их параметров, иногда и их вероятностные характеристики, но нет точной информации об этих факторах. Задачи такого рода называют "задачами о выборе решений в условиях неопределенности".
К неопределенным факторам пожаров следует отнести непредсказуемые
ошибочные действия обслуживающего персонала многофункциональных высотных зданий, действия преступных групп, террористов и других экстремистских элементов, которые могут явиться причинами пожаров. При возникновении пожаров и принятии управленческих решений по их тушению, эвакуации
людей и дымоудалению из горящих зданий часть факторов пожара, как правило, также остается неопределенной, о них отсутствует достоверная информация.
Существо научно обоснованных методов принятия решений при неполноте информации о факторах пожара заключается в том, что задача принятия
решения интерпретируется как задача нахождения решения в игре двух сторон,
одной из которых являются силы и средства пожарной охраны, другой - факторы пожара, которые принято называть "природой".
Особенностью игр с "природой" является то, что "природа" (в отличие от
сознательно действующего игрока) не стремится извлечь выгоду из ошибочных
действий другой стороны игры, не противодействует ей (при проведении игр с
факторами пожара исключение представляют поджоги, взрывы и другие сознательные действия террористов, являющиеся причинами пожаров).
Для проведения каждой игры с "природой" надо знать набор стратегий
(ходов) обеих сторон, результаты игры при каждой паре стратегий (выигрыш
или потери) и, по возможности, вероятности стратегий "природы".
Построив матрицу выигрышей (потерь) и проанализировав ее, можно заранее оценить последствия каждого решения, отбросить явно неудачные варианты действий сил и средств пожарной охраны и рекомендовать наиболее эффективные действия для всего диапазона факторов пожара.
10
Рассмотрена концепция и структура автоматизированной системы пожарной безопасности (АСПБ) в составе автоматизированной интегрированной
системы комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий.
Проанализированы основные принципы теоретико-игрового подхода при принятии управленческих решений в АСПБ МВЗ.
Приведена схема системы управления в игровых моделях, используемых
в автоматизированной системе пожарной безопасности и алгоритмы, используемые в игровой модели с автоматическим поиском решений и с набором типовых решений. Рассмотрены особенности использования в АСПБ МВЗ матричных игровых моделей, дифференциальных и многошаговых игр, имитационных
игровых моделей.
Приведены блок-схемы алгоритмов, используемые в теоретико-игровых
методах управления противопожарной защитой многофункциональных высотных зданий. В частности, приведены результаты теоретико-игрового моделирования важнейшего процесса - управления эвакуацией людей из горящих зданий.
Предложена модель выбора людьми выходов в аварийной эвакуации, основанная на теоретико-игровом подходе, при котором каждый игрок обновляет
свою стратегию в соответствии с периодическим изменением стратегий других
игроков. Модель основана на концепции выбора игроками лучших функций
выигрыша. Неподвижная точка системы этих функций определяет равновесие
по Нэшу в игре. В данной теоретико-игровой модели обновление лучших ответных действий эвакуируемых интерпретируетсяс помощью адаптивной динамической модели. Модель учитывает 2 стороны процесса эвакуации. С одной
стороны эвакуируемые пытаются выбрать самый быстрый путь выхода. С другой стороны, учитываются другие факторы, влияющие на принятие решений,
такие, как задымленность и наблюдаемость (видимость) выхода. Эти факторы
учитываются в разделе ‘‘ограничения’’ задачи минимизации времени эвакуации.
В нормальной форме, каждый из игроков N (участник игры) выбирает
стратегии , где i – обозначает индекс игрока. Пусть Si множество всех стратегий участника i, так что
. Значение выигрыша для игрока i является функцией стратегий всех игроков. Эта функция называется функцией выигрыша, и
). Целью каждого игрока является выбор такой
она обозначается (
стратегии, которая максимизирует свой выигрыш, учитывая, что и другие игроки тоже ищут максимальную выгоду.
11
Равновесие по Нэшу игры состоит в поиске такого множества стратегий
), при котором стратегия каждого игрока является оптимальным отве-
(
том на оптимальные стратегии других игроков. Таким образом, множество
(
) является равновесием по Нэшу, если
стратегий
(
)
для всех игроков i.
Лучший ход игрока i определяется выражением
( )
(
где
(
)
). Эта функция определяет стратегию
, кото-
рая является лучшим ответом игрока i на ходы других игроков при стратегии
, то есть стремится максимизировать выигрыш игрока i, когда другие играют
.
Показано, что если набор стратегий ̅
( ̅
̅ ) удовлетворяет уравне-
нию
̅
( ̅ )
то ̅ является набором стратегий игры по Нэшу. Математически ̅ является неподвижной точкой системы стратегий всех игроков, т.е. набором лучших ходов
всех игроков. Повторяющийся циклический процесс, в котором игроки реализуют свои стратегии в соответствии с приведенными правилами, будет сходиться в равновесие Нэша.
Рассмотрены два участника игры с индексами i и j, где i, j ∈ N = {1, 2...N.
Стратегиями
участников
являются
решения
по
выбору
выходов
e k,
k ∈ K = {1, 2...K. Для стратегий si и наборов стратегий si игрока i использованы
обозначения si ∈ {e1,...,ek} = Si, i ∈ N. Набор (множество) стратегий всех участников обозначен через
(
)
(
Использовано обозначение
)∈
для стра-
тегий всех других участников за исключением участника i, и обозначение
(
) в целом.
Обозначим позиции участника i и выхода ek через ri и bk, соответственно,
(
)– это расстояние от участника i до выхода ek
и пусть
(
12
)
‖
‖
(
Пусть платёжная функция участника i- это расчётное время его эвакуации
), которое он пытается свести к минимуму. Когда участник i-й выби-
рает стратегию
, Ti оценивается выражением
(
)
(
)
(
)
где βk является величиной, отображающей возможность достижения выхода ,
(
)- число других участников, которые направляются в тот же самый
выход
и находятся ближе к нему,
участника i до выхода
)|, где
| (
. Функция
(
)
{
(
)- предполагаемое время движения
определяется выражением
|
(
)
(
(
)
)}
и |·| обозначает число элементов в подмножестве N.
Показано, что расчетное время движения до выхода вычисляется выражением
(
где
)
(
)
- скорость движения участника i. Стратегия участника i- это лучший от-
вет на стратегии других участников:
(
)
(
)
Для равновесия по Нэшу в игре справедливо выражение
(
)
для всех i.
Явления известности (знания) путей эвакуации, видимости (наблюдаемости) путей эвакуации и связанных с пожаром условий учитываются тремя дво( ),
(
),
(
), ∀i ∈ N , k ∈ K,
ичными переменными
где
( )
(
(
)
{
)
{
{
Теперь выходы могут быть разделены на группы, у которых есть числа
предпочтений от одного до шести согласно этим двоичным переменным. Чем
больше число предпочтения, тем более предпочтителен выход. Известность
(знание) выхода более важно для участника, чем его видимость. Это основано
13
на социально-психологическом выводе, согласно которому эвакуируемые
предпочитают знакомые маршруты, даже если они не быстрее незнакомых
маршрутов.
В этом случае полная модель выбора пути эвакуации представлена для
каждого участника i ∈ N следующим образом:
(
)
(
)
( ̅)
где ( ̅) является непустой выходной группой с лучшим числом предпочтения
̅ для участника i.
Составлена машинная программа, моделирующая процесс эвакуации с
применением теоретико-игровой модели с равновесием по Нэшу. Проведен вычислительный эксперимент, моделирующий итерационный процесс эвакуации
для 100, 300, 500 участников.
Разработана графовая модель и алгоритм оптимизации проведения проверки объектов инспектором надзорной деятельности в МВЗ. При этом рассматривается проблема оптимизации принятия управленческого решения инспектором надзорной деятельности при определении последовательности действий по проверке объектов контроля МВЗ по критерию минимального суммарного времени передвижения между помещениями. Разработан алгоритм решения этой задачи, который может быть использован в системе поддержки
принятия решений в составе автоматизированной информационноуправляющей системы надзорной деятельности в МВЗ. Составлена и зарегистрирована Роспатентом машинная программа реализации алгоритма на ЭВМ.
Разработана игровая модель, предназначенная для поиска и обнаружения
пострадавших в результате аварий, пожаров, взрывов, терактов прибором для
обнаружения людей в многофункциональных высотных зданиях. Рассмотрен
пример игрового моделирования ситуаций с поиском и обнаружением пострадавших в завалах при обрушении строительных конструкций.
Предложена игровая модель проектирования систем пожарной безопасности МВЗ. Проектирование пожарной техники и систем пожарной безопасности в целом осуществляется в условиях значительной неопределенности пожарных ситуаций на объектах защиты, поэтому применение игровых методов
выбора тех или иных проектных решений, пригодных для широкого диапазона
возможных факторов пожара и их случайного характера, имеет наибольшую
обоснованность.
14
Предложена игровая модель обучения сотрудников пожарной охраны и
учащихся принятию решений в условиях неопределенности. Включение участников всех игр в обстановку, максимально приближенную к реальной, позволяет формировать у них профессиональные навыки, которые необходимы работникам пожарной охраны в их практической работе: исполнительность, обязательность, деловитость, инициативность, ответственность и др.
Общей особенностью игровых моделей для обучения сотрудников пожарной охраны или учащихся является неполная формализация процедур принятия решений, субъективность моделей и методов, которыми пользуются
участники, большая роль эвристических решений и интуиции. Показано, что
использование игровых моделей значительно повышает эффективность процесса обучения.
В третьей главе “Применение теории игр для обеспечения антитеррористической защищенности многофункциональных высотных зданий”
приведена классификация современного терроризма как социального явления
(политический, государственный, экономический терроризм), по форме проявления (поджоги, взрывы, использование химического, бактериологического
оружия и др.), по силам и средствам (индивидуальный, групповой, массовой
виды терроризма).
Предложены концепция, цель, структура и функции системы защиты от
терроризма в составе автоматизированных информационно-управляющих систем комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий.
Сформулированы основные принципы организации системы защиты от терроризма и определены основные задачи системы. Предложена структура программно-технических средств системы защиты от терроризма.
Поставлена задача разработки автоматизированной системы поддержки
принятия решений для принятия управленческих решений в автоматизированной информационно-управляющей системе комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий с использованием теоретико-игрового
подхода.
При принятии решений в условиях неполноты информации имеются две
альтернативы: либо случайные субъективные решения, которые неизбежно связаны с риском и возможными ошибками, либо решения, опирающиеся на научные методы теории игр, на предварительную оценку результатов различных вариантов функционирования систем антитеррористической защиты.
15
Сущность предлагаемого метода принятия решений при неполноте информации о факторах теракта заключается в следующем. Решение находится в
математической игре двух сторон, одной из которых является система защиты
от терроризма, с другой - сознательные действия террористов.
Разработана и исследована теоретико-игровая модель для описания противоборства между террористами и защитниками МВЗ от атак террористов.
Модель позволяет научно обосновать решения, принимаемые в ответ на преднамеренные угрозы атакующих, которые сознательно выбирают цели атаки.
Построена структура модели, включающая в себя множество целей и множество стратегий террориста и системы защиты от него.
Целью модели является использование матричного игрового подхода для
определения наиболее эффективной стратегии защиты для снижения общего
ущерба. В этой модели предполагается, что все террористы и защитники исходят из аксиом теории ожидаемой полезности, что означает, что они примут меры, которые максимизируют их выигрыш (полезность). Выигрыш для террористов понимается как число жертв или ожидаемых имущественных потерь в
МВЗ. Выигрыш защитников, в свою очередь, может быть определен как снижение ожидаемых потерь. Тогда мы имеем
где
- выигрыш террориста,
- выигрыш защитника.
|
Введены следующие обозначения:
рористов, где
∈
∈
- стратегия тер-
представляет множество Т различных целей и
представляет множество М различных стратегий террористов.
Множество
| ∈
∈
. Множество
является множеством стратегий защиты, где
{
|
∈
жеством состояний, где каждое состояние
∈
∈
∈
является мно-
соответствует конкретной стра-
тегии террористови конкретной стратегии защиты.
Пусть
где - матрица выигрышей террористов, а
-
матрица выигрышей защитников.
На основе предположения о том, что мы имеем игру с нулевой суммой,
справедливо соотношение
16
Каждый элемент матрицы соответствует выигрышу террориста или защитника. Причём
(
где
)
- функция вероятности наступления события,
- функция послед-
ствий, когда событие имеет место и вызывает потери. Поэтому выигрыш u может быть определен в пространстве V×C:
В отличие от стихийных бедствий и других чрезвычайных ситуаций (игр
''с природой''), у событий с преднамеренными угрозами есть особенность: террористы могут приспособить свои потенциальные цели, чтобы найти лучшую
стратегию. Террористы могут выбрать цель со слабой защитой, чтобы избежать
высокого риска. Чтобы снизить риск, террористы могут отбросить цель высокой ценности и выбрать цель высокой уязвимости для повышения вероятности
успеха.
Вероятность успешной атаки на цель k определена как величина
(
где
i атаки,
)
,
является вероятностью успеха атаки,
является интенсивностью
является интенсивностью защиты цели k, α выражает уязвимость и
β-коэффициент интенсивности защиты.
Когда α = 0,
и
оказывают одинаковое влияние (50%) на
. Когда
0 < α <1, это дает непропорциональное преимущество интенсивности для одной сторон. Когда α = 1,
и оказывают одинаковое влияние на
. Когда
α > 1, это означает уязвимость всех сторон. Наконец, α = ∞ даёт ступенчатую
функцию, где ''победитель получает все''. Вобщем случае, значение α ниже для
систем, которые сложнее атаковать и выше для тех систем, которые легче атаковать.
Коэффициент βlj представляет усиливающее защиту воздействие стратегии защиты типа j относительно цели k. Предполагается, что цели независимы,
поэтому, когда террористы и защитники выберут различные цели, не будет никакого усиливающего защиту воздействия на цель k. Тогда
{
В общем случае
.
17
Очевидно, что злоумышленники выбирают стратегию, выигрыш которой
является наибольшим. Чистая стратегия - это такая стратегия (
), в которой для любого ki и lj, имеем
( )( )
( ) ( ).
( ) ( )
Решения G при
чистой стратегии (
) и при
При равновесии
выигрыш террориста будет не меньше, чем
( ) ( )
( ) ( )
называются равновесным значением.
то время как потери защитника будут не более
( ) ( )
и
( ) ( )
,в
. Тогда значе-
ния выигрыша террориста и защитника, имеют вид
( ) ( )
{
( ) ( )
В большинстве случаев у игры нет решения в рамках чистой стратегии. В
этом случае, необходимо найти решение игры в соответствии со смешанной
стратегией (P, Q) и определить распределение вероятностей различных стратегий
где
и
( ∈
|
∑
( ∈
|
∑
∑
∑
)(
)
являются mxt-мерным и nxt-мерным пространством Евклида
соответственно. Тогда выигрыш террориста можно записать следующим
образом
∑
∑
∑
∑
Если есть террористические стратегии
(
)
удовлетворяют уравнению
(
и стратегии защиты , которые
(
), тогда решение
) игры G является оптимальной смешанной стратегией.
Показано, что в этом случае можно использовать метод линейного про-
граммирования для получения решения. Пусть
щей стороны, а
является ценой игры атакую-
является проигрышам стороны защиты. В общем случае пре-
имущество террориста не будет больше, чем потеря защиты. Таким образом,
мы имеем:
,
где
является решением игры. Решение
щей системы линейных уравнений
18
эквивалентно решению следую-
∑∑
∑∑
{
∑∑
∑∑
{
Принимаем
⁄
⁄ и решение игры
,
∑ ∑
. Си-
стему линейных уравнений преобразуем к виду:
∑∑
∑∑
{
∑∑
∑∑
{
Предложенная модель основана на предположении о том, что участники
будут всегда приниматьрациональные действия, цель которых заключается в
максимизации своих выигрышей соответственно.
Построены матрицы выигрышей обеих сторон игры. Для описания игры
получена система линейных алгебраических уравнений, по которой можно искать решение игры. Таким образом, задача поиска наилучшего решения игры
сведена к задаче линейного программирования. Для автоматизации поиска
наилучшего решения составлена машинная программа, зарегистрированная
Роспатентом.
Теоретико-игровая модель и соответствующая машинная программа позволяют заранее оценить последствия выбора той или иной стратегии защиты от
террориста, отбросить неудачные стратегии и выбрать наиболее эффективные
варианты защиты.
19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации решена научная задача по разработке теоретико-игровых
моделей поддержки принятия управленческих решений в системах пожарной
безопасности и антитеррористической защиты объектов, имеющая важное значение для обеспечения комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий Вьетнама. Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:
1. Проведен анализ развития строительства многофункциональных высотных зданий Вьетнама, анализ угроз многофункциональным высотным зданиям и влияния социальных и климатических особенностей Вьетнама на их
безопасность.
2. Предложен теоретико-игровой подход к решению ряда задач обеспечения пожарной безопасности многофункциональных высотных зданий, заключающийсяв анализе основных особенностей различных видов игровых моделей
и в нахождении решений методом математического моделирования на ЭВМ
двусторонних игр (игр с природности) - сил и средств пожарной охраны с опасными факторами пожара. Это позволяет предварительно оценивать результаты
различных вариантов действий пожарной охраны, выполнять анализ этих результатов, исключать неудачные и выбирать наиболее эффективные варианты
управленческих решений.
В рамках предложенного подхода получены следующие результаты:
- разработана теоретико-игровая модель, предназначенная для поиска
пострадавших в результате пожаров, взрывов, терактов с помощью специальных приборов для обнаружения людей в помещениях МВЗ или под завалами;
- разработаны модель и алгоритм оптимизации маршрута проведения
проверки помещений МВЗ, позволяющие сократить время проверки при обследовании объекта и при проведении аварийно – спасательных работ;
- предложены игровые модели проектирования системы пожарной безопасности МВЗ и обучения сотрудников пожарной охраны и учащихся принятию решений в условиях неопределенности, что позволяет формировать у них
профессиональные навыки, необходимые в практической деятельности.
3. Предложена и проанализирована динамическая модель поиска путей
эвакуации в многофункциональных высотных зданиях при чрезвычайных ситуациях и пожарах. Модель основана на теоретико-игровом подходе, при котором
20
каждый игрок обновляет свою стратегию в соответствии с периодическим изменением стратегий других игроков. Построена математическая модель игры,
определен критерий оптимизации - минимальное время эвакуации.Составлена
машинная программа, моделирующая процесс эвакуации с применением предложенной модели с равновесием по Нэшу, что позволяет оптимизировать принятиерешений при управлении эвакуацией людей из многофункциональных
высотных зданий при ЧС и пожарах. Проведен вычислительный эксперимент,
моделирующий итерационный процесс эвакуации 100, 300 и 500 участников.
4. Предложены концепция, структура и функции системы защиты от терроризма в составе автоматизированных информационно-управляющих систем
комплексной безопасности многофункциональных высотных зданий. Сформулированы основные принципы организации системы защиты от терроризма и
определены задачи системы, предложена структура программно - технических
средств системы защиты от терроризма, что позволяет повысить защищенность
многофункциональных высотных зданий от террористических угроз.
5. Разработана и исследована теоретико-игровая модель противоборства
между террористами и защитниками многофункциональных высотных зданий
от атак террористов. Модель позволяет научно обосновать решения, принимаемые в ответ на преднамеренные угрозы атакующих, которые сознательно выбирают цели атаки. Построена структура модели, включающая в себя множество
целей и множество стратегий террориста и системы защиты от него. Построены
игровые матрицы обеих сторон игры. Для описания игры получена система линейных алгебраических уравнений, по которой можно искать решение игры.
Задача поиска наилучшего решения игры сведена к задаче линейного программирования. Составлена машинная программа, зарегистрированная Роспатентом.
Основные научные результаты диссертации отражены в следующих
публикациях автора:
В научных изданиях, рекомендованных ВАК России:
1. Нгуен К.Т. Пожарная обстановка в многофункциональных высотных
зданиях Вьетнама // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал.
2013, №2 (48). -4с.
21
2. Топольский Н.Г., Нгуен К.Т. и др. Алгоритм оптимизации проверки
объектов инспектором надзорной деятельности // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. 2013, №1 (47). -8с.
3. Симаков В.В., Тетерин И.М., Нгуен К.Т.и др. О применении модуля
ближней радиолокации в автоматизированных системах предупреждения и
ликвидации чрезвычайных ситуаций //Технологии техносферной безопасности:
интернет-журнал. 2012, №2 (42). -8с.
В других научных изданиях:
4. Нгуен К.Т. Автоматизированная система управления противопожарной защитой высотных зданий Вьетнама // Материалы двадцатой международной научно-технической конференции "Системы безопасности" - СБ-2011. М.:
Академия ГПС МЧС России, 2011, -С. 257-259.
5. Нгуен К.Т. Антитеррористическая защита многофункциональных высотных комплексов // Материалы двадцать первой международной научнотехнической конференции "Системы безопасности" - СБ-2012. М.: Академия
ГПС МЧС России, 2012, -С. 145-149.
6. Нгуен К.Т. Методика мониторинга несущих конструкций потенциально опасных объектов и объектов капитального строительства // Материалы первой международной научно-практической конференции молодых ученых и
специалистов «Проблемы техносферной безопасности» - ПТБ-2012:– М.: Академия ГПС МЧС России, – 2012, -С. 126-128.
7. Топольский Н.Г., Мокшанцев А.В., Нгуен К.Т. Игровая модель с поиском и обнаружением пострадавших при обрушении строительных конструкций //Материалы второй научно-практической конференции «Пожаротушение:
проблемы, технологии, инновации» - 2013:.– М.: Академия ГПС МЧС России, –
2013, -С. 306-308.
8. Нгуен К.Т. Комплексная безопасность многофункциональных высотных зданий во Вьетнаме // Материалы второй международной научнопрактической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности» - ПТБ-2013:– М.: Академия ГПС МЧС России, –
2013, -С. 179-181.
9. Нгуен К.Т. Модель спасания человека из здания // Материалы второй
международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности» - ПТБ-2013:– М.: Академия
ГПС МЧС России, – 2013, -С. 181-183.
22
10. Топольский Н.Г., Нгуен К.Т., Мокшанцев А.В. Поддержка принятия
решения по спасению человека из здания с помощью спасательного комплекта
в результате пожара и чрезвычайной ситуации. Свидетельство о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2013615259 от 03 июня 2013
года.
11. Топольский Н.Г., Нгуен К.Т. и др. Система поддержки принятия решений при спасении людей из высотных зданий. Свидетельство о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2013615215 от 30 мая
2013 года.
12. Тетерин И.М., Нгуен К.Т. и др. Теоретико-игровые алгоритмы поддержки принятия решений по поиску пострадавших, эвакуации людей из зданий и организации тушения пожаров. Заявка на свидетельство о государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ от 24 июня 2013 года.
13. Топольский Н.Г., Нгуен К.Т. и др. Автоматизированная система поддержки принятия управленческих решений при чрезвычайных ситуациях и пожарах с использованием платежной матрицы. Свидетельство о государственной
регистрации в Реестре программ для ЭВМ № 2013617554 от 20 августа 2013 года.
14. Топольский Н.Г., Нгуен К.Т. и др. Методика оптимизации маршрута
обследования объектов надзора// Материалы двадцать второй международной
научно-технической конференции "Системы безопасности" - СБ-2013:. М.:
Академия ГПС МЧС России, 2013, -С. 141-144.
15. Топольский Н.Г., Нгуен К.Т., Калашник Г.Н. Поддержка принятия
управленческих решений при обеспечении пожарной безопасности и антитеррористической защиты с использованием теоретико-игровых моделей. // Материалы двадцать второймеждународной научно-технической конференции "Системы безопасности" - СБ-2013:. М.: Академия ГПС МЧС России, 2013, -С. 171174.
Подписано в печать __.__.2013 г.
Форматбумаги 60 90 1/16
Тираж 70 экз.
Заказ №
Академия ГПС МЧС России
129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4
23
24