Введение к работе
Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Во-первых, значимостью исследований и обеспечения энергетической безопасности (ЭБ) . Проблема обеспечения энергетической безопасности включает в себя задачи идентификации и анализа угроз энергетической безопасности, а также формирования набора мероприятий по их предупреждению либо ликвидации результатов проявления негативных возмущений в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК). Энергетическая безопасность - атрибут не столько самой энергетики, сколько экономики, общества, государства в целом. Для предотвращения и преодоления угроз разного рода предполагается использование не только производственно-технических и экономических средств, но также и управленческо-правовых. Процесс анализа угроз является весьма сложным в силу взаимосвязанности энергетики практически со всеми сферами деятельности государства.
Отсюда следует второй аспект, определяющий актуальность данной работы. Все угрозы энергетической безопасности не только связаны между собой, но и тесно взаимосвязаны с угрозами других составляющих национальной безопасности (например, экологической, общеэкономической, внутри- и внешнеполитической). Факторы, обусловливающие угрозы энергетической безопасности, тесно связаны между собой и зачастую не очевидным для исследователя образом. Кроме того, уникальность рассматриваемых негативных явлений вызывает сложности при их моделировании и оценке вероятностей таких явлений и их последствий для энергетики. В этих условиях необходимо применять все возможные взаимодополняющие подходы к измерению риска возникновения неблагоприятных ситуаций. Такие подходы могут базироваться на анализе статистических данных об авариях и чрезвычайных ситуациях, моделировании условий возникновения и развития крупномасштабных возмущений в системах энергетики с тяжелыми последствиями, использовании экспертных оценок, в том числе субъективных вероятностей различных событий и явлений. Все эти предпосылки приводят к необходимости развития имеющегося и создания нового инструментария интеллектуальной поддержки этих исследований и интеграции новых качественных методов анализа в исследованиях проблем ЭБ с традиционными численными расчетами. Одним из инструментов интеллектуальной поддержки, позволяющих оценивать вероятностные отношения между различными явлениями, является моделирование ситуаций с помощью байесовских сетей (или байесовских сетей доверия, БСД).
Методологические основы исследований проблем энергетической безопасности заложены в работах Ю.Н. Руденко, В.В. Бушуева, Н.И. Воропая, Л.Д. Криворуцкого,
Под «энергетической безопасностью» страны понимается состояние защищенности ее граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо- и энергоснабжения [Энергетическая безопасность. Термины и определения / Отв. ред. Н.И. Воропай. - М.: 2005. - 53 с].
А.И. Татаркина, А.А. Куклина, СМ. Клименко, Г.Б. Славина, СМ. Сендерова, М.Б. Чельцова и др.
Традиционно в этих исследованиях используется количественный подход, опирающийся на проведение вычислительных экспериментов (ВЭ) с использованием специализированных программных комплексов. Предварительная же работа по анализу состояния ЭБ и составлению сценариев проведения ВЭ проводится на экспертном уровне без привлечения средств формализации данного процесса. Для решения этой задачи в отделе живучести и безопасности систем энергетики ИСЭМ СО РАН была предложена двухуровневая технология исследования проблем ЭБ. На верхнем (качественном) уровне она интегрирует в рамках интеллектуальной ИТ-среды программные средства онтологического, когнитивного и событийного моделирования . На нижнем (количественном) уровне содержит мультиагентный программный комплекс ИНТЭК-М. Предложено объединение вышеупомянутых программных инструментов в рамках интеллектуальной ИТ-среды поддержки исследований проблем ЭБ. Основы этого подхода заложены Л.В. Массель, А.Г. Масселем, Т.Н. Ворожцовой, Н.Н. Макагоновой, В.Л. Аршинским, Д.А. Фартышевым.
Автором предлагается дополнить разработанную технологию проведения качественного этапа исследований инструментом байесовских сетей для оценки вероятности возникновения угроз и чрезвычайных ситуаций (рисков в узком смысле), их возможных последствий и оценки мероприятий, направленных на повышение уровня ЭБ. Основы инструмента графических вероятностных моделей (в частности, байесовских сетей) разрабатывались Дж. Перлом, Р. Дж. Кауэллом и др. В соответствии с определением Дж. Перла байесовской сетью является графическая вероятностная модель, отображающая вероятностные зависимости набора переменных и позволяющая проводить вероятностный вывод с помощью этих переменных, т.е. оценку состояния некоторых узлов сети при поступлении в систему свидетельств о состоянии других ее узлов. В России этот аппарат рассматривался В.И. Городецким, А.Л. Тулупьевым и
ДР-
Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки нового подхода к моделированию угроз энергетической безопасности с целью определения рисков их возникновения. Для этого автором предлагается проводить моделирование угроз с помощью аппарата байесовских сетей (БСД-моделирование угроз) и комплекса проблемно-ориентированных программ для его поддержки.
Объектом исследования является процесс анализа угроз энергетической безопасности и формирования набора мероприятий по их предупреждению либо ликвидации их последствий.
Массель Л.В. Применение онтологического, когнитивного и событийного моделирования для анализа развития и последствий чрезвычайных ситуаций в энергетике / Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, №2, 2010.-е. 34-43.
Предметом исследования являются методы моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.
Целью работы является разработка методов и алгоритмов, реализация их в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей и интеграция разработанного программного обеспечения в интеллектуальную ИТ-среду для исследований проблем энергетической безопасности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ предметной области, существующих технологий и инструментальных средств исследований проблем энергетической безопасности.
-
Обосновать целесообразность применения инструмента байесовских сетей в исследованиях проблем энергетической безопасности.
-
Разработать методику моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей.
-
Разработать новую технологию постановки и реализации вычислительных экспериментов в области исследований проблем ЭБ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций (ЧС) на основе модификации существующей двухуровневой технологии исследований проблем ЭБ, для чего необходимо:
выполнить проектирование и реализацию комплекса проблемно-ориентированных программ для БСД-моделирования угроз энергетической безопасности;
разработать методику усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанную на интеграции программных средств БСД-моделирования угроз ЭБ в интеллектуальную ИТ-среду.
5. Выполнить комплексное исследование работы энергетических отраслей в
условиях чрезвычайных ситуаций, при реализации угроз ЭБ, с применением разрабо
танных методики, технологии и комплекса проблемно-ориентированных программ.
Методами и средствами исследования являются методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики, методы ситуационного анализа, онтологического, когнитивного и событийного моделирования, математический аппарат байесовских сетей доверия, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование).
Новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения: 1. Впервые предложено использовать байесовские сети доверия для моделирования угроз ЭБ и выполнена формализованная постановка задач оценки:
вероятности возникновения угроз и чрезвычайных ситуаций в энергетике и их возможных причин,
масштабов последствий их реализации,
эффективности мероприятий по их предупреждению или ликвидации их по-
следствий.
-
Впервые предложена методика моделирования угроз энергетической безопасности на основе аппарата байесовских сетей с использованием экспертных оценок и статистических данных; выполнено построение БСД-моделей конкретных угроз ЭБ.
-
Разработана новая технология постановки и реализации ВЭ для изучения комплексных сценариев развития критических и чрезвычайных ситуаций, основанная на двухуровневой технологии исследований ЭБ, включающая:
ранее отсутствовавшее специальное алгоритмическое обеспечение комплекса проблемно-ориентированных программ для моделирования угроз энергетической безопасности с помощью байесовских сетей;
методику усовершенствования численных расчетов в исследованиях проблем ЭБ, основанную на интеграции программных средств БСД-моделирования угроз в интеллектуальную ИТ-среду, и обеспечивающую задание корректировок информационных моделей в ПК ИНТЭК-М на основе результатов БСД-моделирования.
Практическая значимость заключается в разработке нового комплекса проблемно-ориентированных программ на основе байесовских сетей доверия и его применении для поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности. Это позволяет делать выводы о вероятности наступления чрезвычайных ситуаций, оценивать возможные последствия и определять набор мероприятий по их устранению. Применение предложенных методов, алгоритмов и технологии проведения ВЭ повышает эффективность исследований проблем ЭБ за счет использования интеллектуальных технологий наряду с традиционными количественными подходами.
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении) для решения задач анализа основных существующих и возможных в перспективе до 2030 г. факторов формирования угроз энергетической безопасности.
Результаты диссертационной работы применены при выполнении:
проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследований проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009-2011);
проекта СО РАН № 4.3.1.3 «Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений» (2007-2009);
проекта СО РАН № IV.31.2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № IV.31.2. «Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных
научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (2010-2012);
интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН и НАН Республики Беларусь №18 «Методы построения интеллектуальной инструментальной среды для поддержки принятия решений при определении стратегии развития энергетики России и Беларуси с позиций энергетической безопасности» (2012-2013);
проектов по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (2010-2012), №11-07-00192 (2011-2013), №12-07-00359 (2012-2013).
Результаты диссертационной работы были включены в разработку «Интеллектуальная инструментальная среда для поддержки принятия решений при обосновании вариантов развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области с учетом требований энергетической безопасности», которая стала лауреатом областного конкурса в сфере науки и техники 2012 года в номинации «За лучшие научно-технические и инновационные разработки молодых ученых».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 82-ом и 84-ом заседаниях Международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», Украина, 2010 г., Азербайджан, 2012 г.; IV Всероссийской конференции с международным участием «Винеров-ские чтения», г. Иркутск, 2011 г.; XV - XVIII Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010-2013 гг.; Российско-монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вьшислительно-информационным технологиям и управлению, Монголия, п. Ханх, 2011 г.; XL-XLIII конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2013 г., а также на семинарах и заседаниях секций Ученого совета ИСЭМ СО РАН.
Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 13 работ, в т.ч. 2 из них - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание степени кандидата технических наук.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 101 наименования и двух приложений. Общий объем диссертации - 178 страниц, основной текст изложен на 150 страницах, включает 55 таблиц и 41 рисунок.
