Содержание к диссертации
Введение. 5
Глава 1. Компьютерная система управления предупреждением, противодействием и ликвидацией последствий биологических чрезвычайных ситуаций.
1.1. Иерархическая структура системы формирования решений в 16
чрезвычайных ситуациях.
Обзор экспертных систем используемых в чрезвычайных ситуа- 25 циях, вызванных биологическими факторами.
Программная система поддержки управления в чрезвычайных 30 ситуациях, вызванных биологическими факторами,
Анализ схем обработки первичных данных в системе предот- 43 вращения биологической чрезвычайной ситуации.
Пользовательский интерфейс системы формирования и приня- 53 тия решений при биологических чрезвычайных ситуациях.
1.6. Выбор программной платформы вычислительного комплекса 58
формирования и принятия решений.
Глава 2, Разработка и исследование методов построения компьютерной системы формирования решений по классификации, верификации и идентификации ОЭЗ и типов распространения их агентов в чрезвычайных эпидемических ситуациях,
2.1. Классификация признаков опасных эпидемических заболева- 65 ний. Общая постановка задачи
2.2 Алгоритм согласования решений при определении перечня ин- 77 формативных признаков, выделении общих и специфичных признаков опасных эпидемических заболеваний его компьютерная реализация
2.3. Компьютерное вычисление вероятностных характеристик при- 89 знаков опасных эпидемических заболеваний и оперативная верификация на основе этих признаков.
Алгоритм идентификации заболевания и его реализация в ком- 96 пьютерной системе.
Методы компьютерной обработки показателей экспертов при 103 составлении расширенного списка классификаторов степени воздействия инфекционных эпидемий.
Метод компьютерной классификации биологической чрезвы- 107 чайной ситуации по типу распространения агента.
Глава 3. Исследование и разработка компьютерных сценариев развития биологических чрезвычайных ситуаций и применения мер по защите населения.
Компьютерные методы оценки наиболее ожидаемых санитарно- 113 эпидемиологических сценариев развития биологической чрезвычайной ситуации.
Компьютерные методы и алгоритмы прогнозирования распро- 120 странения заболевания. Расчет санитарных потерь.
Программные методы построения сценариев распространения 125 мелкодисперсных поражающих агентов в условиях городской застройки.
Разработка и компьютерная реализация модели распростране- 138 ния опасных эпидемических заболеваний в условиях города, и применения адекватных мер противодействия.
Программные методы построения сценариев распространения 148 разных видов опасных эпидемических заболеваний в изолированном учреждении и применения адекватных мер противодействия.
Глава 4. Исследование и компьютерная реализация системы формирования управленческих решений для предупреждения, противодействия и ликвидации последствий биологической чрезвычайной ситуации. 4.1. Компьютерный алгоритм организации ликвидации последствий 158 биологической чрезвычайной ситуации и восстановлению санитар-
но-эпидемического благополучия.
Использование компьютерной системы поддержки формирова- 162 ния управленческих решений для оценки вариантов организации ликвидации последствий БЧС.
Исходные данные компьютерной системы для расчета сил и 174 средств, необходимых при ликвидации БЧС.
Использование компьютерной системы поддержки формирования 178 управленческих решений для выбора режимно-ограничительных мероприятий в зонах поражения при биологической чрезвычайной ситуации.
Компьютерные методы поддержки формирования управленче- 182 ских решений по организации лечения инфекционных больных при биологической чрезвычайной ситуации.
Компьютерные методы поддержки формирования управленче- 188 ских решений о проведении дезинфекции в эпидемических очагах.
Глава 5. Компьютерная система формирования управленческих решений по предотвращению биологических чрезвычайных ситуаций.
5. 1. Компьютерный анализ ситуации. 194
Компьютерное генерирование задач предотвращения. Ранжиро- 196 вание задач по их критериям, с учетом важности и сложности задач
Ранжирование проектов по критериям важности и сложности 203 при помощи компьютерной системы формирования решений.
Заключение 208
Список литературы 212
Приложение 1 233
Приложение 2 241
Приложение 3 248
Введение к работе
Актуальность проблемы
Достижения в биологической науке начала XXI века соизмеримы по масштабам и значению для человечества с научно-технической революцией середины 50-х годов в ядерной физике и электронике. Они открывают беспрецедентные возможности технологического прогресса (биотехнология) и сенсационных прорывов в медицине и сельском хозяйстве [9,17].
С одной стороны могут быть найдены подходы к решению глобальных проблем, стоящих перед человечеством в новом столетии - нехватка продовольствия, истощение запасов природных энергоносителей, загрязнение окружающей среды, диагностика, лечение и профилактика социально-значимых заболеваний, сохранение и регулирование репродукции животного и растительного мира и ряд других [11,25].
С другой стороны, использование достижений современной биологии может привести к возникновению непреднамеренных опасных последствий для человека и окружающей среды, либо к их умышленному использованию для достижения политических или террористических целей [160,169,180]. В связи с этим проблема биологической безопасности России становится одной из наиболее важных в ряду других аспектов национальной безопасности [48].
Биологическая безопасность страны - сложная комплексная проблема, включающая научный, санитарно-эпидемиологический, медицинский, военный, экономический, экологический и социальный аспекты [68,69].
В настоящее время к основным источникам биологической опасности можно отнести [189,193]:
потенциальную возможность агрессии с масштабным использованием биологических агентов в качестве оружия массового поражения (неконвен-циальных военных действий); биотерроризм;
спонтанно возникающие природные инфекции, вызванные традиционными, видоизмененными или направленно модифицированными микроорганизмами;
неконтролируемая генно-инженерная деятельность и генная терапия;
неконтролируемое клонирование человека и животных.
Биологический террористический акт можно определить как применение биологических агентов (патогенов) непосредственно для преднамеренного скрытого заражения среды обитания человека (воздуха замкнутых пространств, местности с находящимися на ней объектами, растительностью, сельскохозяйственными культурами, воды открытых водоемов и водоводной сети, продовольствия, животных) или же путем совершения взрывов, созданием условий для аварий иным методом на объектах биотехнологической промышленности, в микробиологических лабораториях, работающих с патогенными для человека и животных микроорганизмами с элиминацией последних во внешнюю среду за пределы этих объектов (лабораторий) [76].
Биологическое оружие, основанное на достижениях современной молекулярной биологии и биотехнологии, может привести к кардинальному изменению характера воздействия на противника, оставив за конвенциальными видами оружия в основном функцию сдерживания [82,83].
Во-первых, биологические знания в полном объёме становятся достоянием только небольшого числа развитых стран, где поддерживается на должном уровне развитие фундаментальной науки. Необходимость обработки огромных массивов данных, описывающих «молекулярные состояния» живой клетки в статике и в динамике, и тем более организма, требует наличия «критической массы» учёных, работающих в фундаментальной науке на мировом уровне. Это даёт возможность создания биологических агентов (прежде всего генетических конструкций), практически не идентифицируемых в организме, погибшем от их воздействия. Предвидение и нейтрализация таких воздейст-, вий потребует наличия высочайшего уровня, прежде всего, фундаментальной науки.
Во-вторых, скрытность распространения не позволит, в большинстве случаев, идентифицировать действующих лиц даже при использовании обычных возбудителей особо опасных инфекций.
В-третьих, соизмеримые с действием ядерного оружия масштабы ущерба, особенно в больших городах, при малой стоимости и сравнительной лёгкости изготовления традиционного бактериологического оружия, выводят на арену геополитики ряд не принимавшихся ранее во внимание относительно небольших государств (государств-изгоев, по американской терминологии) и даже террористических групп.
Современный уровень развития биотехнологий, характеризующийся доступностью масштабного производства биомассы микроорганизмов и токсических продуктов их жизнедеятельности делает реальной несанкционированную наработку возбудителей инфекционных болезней и токсинов. Ничтожно малые инфицирующие дозы, отсутствие высокочувствительных и специфичных методов и средств экспресс-индикации микроорганизмов в пробах окружающей среды, недостаточная эффективность препаратов общей экстренной профилактики и этиопатогенетического лечения определяют потенциальную угрозу использования биологических поражающих агентов в террористических целях.
Формализация методов формирования и принятия решений по организации предупреждения, противодействия и ликвидации последствий чрезвычайной ситуации, вызванной биологическими факторами, их оценка и согласование является очень сложной задачей. Увеличение объема информации, поступающей в органы управления и непосредственно к руководителям, усложнение решаемых задач, необходимость учета большого числа взаимосвязанных факторов и быстро меняющейся обстановки настоятельно требуют использовать вычислительную технику в процессе принятия решений [30,40]. В связи с этим появился новый класс вычислительных систем - системы принятия решений или, более точно, системы поддержки формирования и принятия решений, к которым относятся и компьютерные экспертные системы
(для краткости эти системы будем называть СПР) [52,53]. Термин «система поддержки формирования и принятия решений» точнее отражает смысл, так как, в сущности, компьютерная система не принимает решения за человека, а помогает при выборе решении, предлагает несколько вариантов решений на выбор, рассчитывает некие, заранее определенные функции [123,126].
Если исходить из необходимости осуществления компьютерной поддержки на всех этапах принятия решения человеком, то СПР можно определить как человеко-машинную систему, позволяющую руководителям эффективно использовать свои знания, опыт и интересы, объективные и субъективные модели, оценки и данные для реализации компьютерных методов выработки решений.
Таким образом, важнейшими составляющими борьбы с биотерроризмом является разработка и внедрение информационных технологий с целью предотвращения и выявления биотерактов, а также в снижении ущерба в случае проведення биотеракта.
В этой связи разработка и создание комплексных технологий оперативного управления и на их основе Системы поддержки формирования решении для предотвращения, противодействия и ликвидации последствий биотерактов и других чрезвычайных ситуаций, вызванных биологическими факторами (для краткости будем называть их БЧС), разработка ее информационного и программного обеспечения является актуальной и важной научно-технической проблемой, направленной на сохранение жизни и здоровья людей. Цели и задачи работы
Цель диссертационной работы заключается в повышении оперативности и эффективности управленческих решений по предотвращению, противодействию и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, вызванных биологическими факторами. Под эффективностью будем понимать увеличение объемов рассматриваемой исходной информации, сокращение времени обработки исходной информации на моделях, увеличение количества вари-
антов реализации, ранжирование возможных вариантов реализации, выбор лучшего варианта. Для достижения указанной цели ставятся задачи разработки вычислительных моделей, алгоритмов и компьютерных программ поддержки формирования управленческих решений.
Основными задачами исследования, определенными поставленной целью, являлись:
Исследование и разработка оригинальных методов построения программных комплексов поддержки формирования и принятия решений при БЧС, обеспечивающих компьютерную идентификацию чрезвычайной ситуации в режиме реального времени, генерацию сценариев развития ситуации, выбор действий по ликвидации БЧС и преодолению последствий.
Разработка и исследование теории и компьютерных методов построения систем классификации, верификации и идентификации БЧС на основе информации об опасных инфекционных заболеваниях, методах распространения поражающего агента и масштаба поражения.
Создание на основе разработанных методов компьютерной системы поддержки формирования и принятия решений в выборе целей, стратегий, задач и использовании сил и средств по противодействию, преодолению и ликвидации последствий БЧС.
Разработка методологии тестирования и на ее основе специальных тестов для проведения вычислительной экспериментальной проверки правильности функционирования и оценка качества разработанных методов на контрольных примерах.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что на основе достижения поставленных целей и решения возникающих задач, за счет теоретического обобщения и исследования проблем компьютерной поддержки формирования и реализации управленческих решений при БЧС, а также практической реализации компьютерной системы обеспечивается повышение оперативности и эффективности управления органов испол-
нительной власти во время чрезвычайной обстановки, вызванной, вызванной биологическими факторами.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались: теория распознавания образов, методы математической статистики, методы анализа структур данных, математические методы теории принятия решений, а также методы вычислительной математики и математической физики.
Научная новизна
Исследованы и разработаны теория и комплекс математических, алгоритмических и программных методов построения компьютерной системы поддержки принятия решений в чрезвычайных ситуациях, обусловленных биологическими факторами.
Исследованы и разработаны теория и комплекс математических, алгоритмических и программных методов согласования решений при построении компьютерных систем классификации, идентификации и верификации биологической чрезвычайной ситуации и осуществлена их реализация.
Исследованы и разработаны методы, и реализующие их программные средства обеспечения формирования и принятия следующих решений:
выбор целей, стратегий, задач и проектов предотвращения биологической чрезвычайной ситуации;
генерация сценариев развития чрезвычайной ситуации и управление динамикой;
составление планов по ликвидации ЧС, выбор и согласование контрмер, использование сил и средств для предотвращения, преодоления и ликвидации последствий ЧС.
4. Разработаны и реализованы методы распространения мелкодис
персного поражающего агента в условиях многоэтажной город
ской застройки для определения площадей дезинфекции; распро-
странения опасного эпидемического заболевания, передающегося воздушно-капельным путем в условиях города, с учетом перемещения жителей, а также в изолированном учреждении и применения различных мер противодействия. 5. На основании исследования принципов построения системы противодействия БЧС, разработаны модели, алгоритмы и программы компьютерного согласования и выбора проекта построения системы предупреждения БЧС. Достоверность
Достоверность полученных положений, выводов и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждена численным моделированием чрезвычайной ситуации на основе реальных исходных данных, с последующим подтверждением и оценкой экспертов. Внедрение и реализация результатов работы
Результаты диссертации легли в основу научно-исследовательской работы по теме: «Обоснование системотехнических решений по созданию экспертной системы верификации биотерактов и разработка ее информационного обеспечения», проводимой в Пущинском научном центре РАН. Алгоритмы и программные средства работы используются в Испытательной лаборатории ОНО «Тест Пущино», НПО «Тайфун», Центральном экономико-математическом институте РАН, Институт электронных управляющих машин ИНЭУМ, Научно-внедренческая компания ЗАО «ВИСТ». Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
X Международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики», Херсон, 2001 г.
I Международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» РАСО 2001, Москва, 2001 г.
Генеральной Ассамблее URSI (Международное объединение радионаук), Нидерланды, Маастрихт, 2002 г.
II Международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» РАСО 2004, Москва, 2004 г.
Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления SICPRO'05, г. Москва, 2005г.
Международной конференции «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики». Херсон, 2005г.
Международной конференции «Прогресс в электромагнитных исследованиях» PIERS Китай, Ханджоу, 2005г.
III Международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления» РАСО 2006 г.
Международной конференции «Прогресс в электромагнитных исследованиях» PIERS, Чешская Республика, Прага, 2007г.
Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления SICPRO'05, г. Москва, 2008г.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 35 работах, в том числе 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК к защите диссертаций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы - 248 страниц, в том числе - 64 рисунка, 30 таблиц. Список литературы включает 200 наименований.
Во введении приводится обоснование актуальности работы, формулируются ее цели и основные направления исследования. Кратко изложено содержание диссертации, показана научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы.
В первой главе рассматриваются общие положения иерархических систем управления, включая системы поддержки формирования и принятия (СПР). Проведен методологический анализ исходных представлений и поня-
тийных средств, таких как цели, стратегии, задачи, сценарии и т.д., необходимых для проектирования, разработки и внедрения СПР в целом, и в частности при биологической чрезвычайной ситуации. Анализируются существующие подходы к построению таких систем, и дается их краткий обзор.
Описывается технология разработки программной системы поддержки управления в чрезвычайных ситуациях, вызванных биологическими факторами, приводится блок-схема системы с включенными в нее модулями. Описываются требования к пользовательскому интерфейсу системы и приводятся примеры его реализации. Дается обоснование выбора программной платформы вычислительного комплекса.
Во второй главе приводятся теоретические основы разработки, и дается исследование компьютерных методов построения классификации и идентификации информационных объектов, описана работа компьютерной системы поддержки принятия решений при классификации, верификации и идентификации опасных эпидемических заболеваний (ОЭЗ), типов распространения их агентов и сценариев развития чрезвычайных эпидемических ситуаций. Описывается алгоритм согласования полного перечня информативных признаков, выделении общих и специфичных признаков ОЭЗ и вычислении их вероятностных характеристик, приводится компьютерная реализация оперативной верификации БЧС и идентификации ОЭЗ на основе этих признаков. Приводятся методы компьютерной обработки показателей экспертов при составлении расширенного списка классификаторов степени воздействия инфекционных эпидемий. Дается метод классификации БЧС по типу распространения поражающего агента и приводится его компьютерная реализация.
В третьей главе исследованы проблемы построения сценариев развития БЧС и применения мер по защите населения, приводятся методы оценки наиболее ожидаемых сценариев. Даются методы и алгоритмы прогнозирования распространения ОЭЗ, приводится расчет санитарных потерь. В качестве примера приводятся компьютерные сценарии распространения мелкодис-
персных поражающих агентов в условиях сложной городской застройки, распространения ОЭЗ в условиях города, с учетом транспортных связей, распространения разного вида ОЭЗ в изолированном учреждении.
В четвертой главе проводится исследование, описывается алгоритм и приводится компьютерная реализация системы формирования управленческих решений по противодействию и ликвидации последствий БЧС, дается оценка вариантов. Описываются исходные данные для расчета сил и средств, необходимых при ликвидации БЧС. Приводятся примеры использования компьютерной системы формирования и принятия решений для выбора: ограничительных мероприятий, организации лечения, дезинфекции в эпидемических очагах.
В пятой главе описывается работа созданной компьютерной системы формирования и принятия управленческих решений по предотвращению БЧС, в том числе при анализе ситуации, при генерировании и ранжировании задач предотвращения, составлении и ранжировании проектов.
В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований и разработок, выполненных в соответствии с заявленными целями.
Работа выполнена в соответствии с Календарным планом и ТЗ на НИР «Обоснование системотехнических решений по созданию экспертной системы верификации биотерактов и разработка ее информационного обеспечения», шифр «Антибак», выполняемой в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 22.01.2003 г. № 35-2 и Контрактом, заключенным с Путинским научным центром Российской академии наук.
