Информационная система мониторинга состояний сложных объектов на основе метода вербально-числового анализа риска Швец Алексей Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время в прикладных системных исследованиях для оперативной оценки изменения состояния (качества) сложного объекта с целью принятия обоснованных управленческих решений применяются системы мониторинга - пространственно-распределенные информационные системы, предназначенные для наблюдения объекта и выявления возможности его перехода в критическое состояние на основе специальных методов обработки информации. В большинстве случаев критическое состояние объекта связано с риском выхода некоторых наблюдаемых параметров в область недопустимых значений. Информационные системы мониторинга активно используются в медицине, экологии, промышленности, в управлении техническими системами и технологическими процессами.

В общем виде под сложной системой будем понимать кортеж (Goal,Structure,Pr operties), в котором Goal - цель или совокупность целей системы; Structure - структура системы; Properties - свойства системы, обусловленные ее целями. Сложный объект представляет собой частный случай сложной системы (Goal,Properties) без учета ее структуры. Образ свойства,

определяемый конкретной процедурой измерения или наблюдения, будем называть показателем. В качестве показателей могут выступать, например, физические, химические, механические показатели технологического процесса; показатели, характеризующие качество окружающей природной среды или описывающие состояние здоровья пациента и др. Формально каждому показателю соответствует переменная (Pj), принимающая значение в определенной

шкале (Yj). Любое существенное свойство, обусловливающее различие в значениях других свойств, называется базой, а его формальное представление -параметром. Как правило, в качестве параметра выступает время t. Совокупность значений показателей (у₁,У2,—,у'_т) , где ^. У. , в момент времени

t(t = 1,...T) характеризует некоторое состояние сложного объекта.

Предлагаемый подход ориентирован на мониторинг сложных объектов, у которых к значениям у*, показателей Р с учетом целей предъявляются опреде-

ленные требования у*. Под критическим подразумевается такое состояние, ко-

гда фактические значения показателей в определенный момент времени полностью или частично не удовлетворяют заданным требованиям, а под риском -возможность (вероятность) перехода объекта в критическое состояние. При этом для содержательной интерпретации оценки риска, помимо количественной шкалы, необходимо разработать вербальную (качественную) шкалу.

Таким образом, необходимость оценки состояния сложного объекта с учетом предъявляемых к нему требований и анализа риска его перехода в критическое состояние обусловливают актуальность разработки методов обработки данных в соответствующих информационных системах мониторинга.

Степень разработанности темы исследования. Математическим основам теории риска посвящены работы А.П. Альгина, А.И. Орлова, В.Ю. Королева, Н.Н. Радаева, В.Ф. Бадюкова и др. Структурно задача анализа риска относится к многокритериальным задачам принятия решений, которые рассматриваются в работах R.L. Keeney, H. Raiffa, В.Д. Ногина, В.В. Подиновского и др. Для построения интегральных оценок в неструктуризованных задачах многокритериального выбора применяются методы вербального анализа решений, предложенные О.И. Ларичевым, Е.М. Мошковичем, А.Б. Петровским, Г.В. Ройзензоном. В квалиметрии вопросам количественной оценки качества сложных объектов посвящены исследования Г.Г. Азгальдова, А.В. Гличева, А.И. Субетто, Ю.П. Адлера, С.А. Айвазяна, E.C. Harrington и др. Построение обобщенных критериев на основе теории средних величин и теории измерений рассматривается в работах К. Джини, А.И. Орлова, Б.Г. Литвака, Н.В. Хованова и др. Интегральная оценка типа «трудность достижения цели» предложена И.Б. Руссманом и рассматривается в работах Т.М. Леденевой, В.М. Умывакина. При этом существующие подходы к слабоструктурированным проблемам принятия решений не используют средневзвешенные интегральные вероятностно-квалиметрические оценки риска в универсальных вербально-числовых шкалах.

В связи с этим научная задача исследования заключается в разработке и апробации алгоритмов и информационных технологий вербально-числового анализа риска в системе мониторинга состояний сложных объектов для поддержки принятия управленческих решений.

Объект исследования – методы обработки данных в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов в категориях риска.

Предмет исследования – оценки риска в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов.

Цель исследования заключается в разработке методов и алгоритмов обработки данных в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов на основе вербально-числового анализа риска для повышения обоснованности принятия управленческих решений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследования:

1. Анализ существующих подходов к построению интегральной оценки риска в системе мониторинга состояний сложных объектов.

2. Разработка метода построения средневзвешенной интегральной веро-ятностно-квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга для вербально-числового анализа риска.

3. Разработка алгоритма оценки изменений состояний объектов мониторинга в категориях риска при получении дополнительной информации (новых наблюдений).

4. Разработка структуры и апробация программной оценочной подсистемы вербально-числового анализа риска в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. модифицированный метод построения интегральной квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга, отличающейся тем, что она имеет вероятностную интерпретацию, является оригинальной средневзвешенной квазигеометрической величиной и может применяться для вербально-числового анализа риска;

2. модифицированный алгоритм пересчета (корректировки) интегральной вероятностно-квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга при получении новых наблюдений, позволяющий определять изменения ситуации на основе переранжировки состояний объектов по уровню риска с сохранением ранее полученного упорядочения;

3. структура программной оценочной подсистемы обработки данных информационной системы мониторинга состояний сложных объектов, позволяющей реализовать риск-ориентированный подход к формированию частных и интегральной вероятностно-квалиметрических оценок состояний объектов мониторинга.

Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.01: п. 4. «Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации»; п. 12. «Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации».

Теоретическая значимость. Исследованы свойства интегральной вероят-ностно-квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга, которая может быть положена в основу создания оценочных систем, учитывающих требования к значениям показателей состояния сложных объектов, а также может применяться для вербально-числового анализа риска. Предложенный алгоритм пересчета (корректировки) такой оценки при добавлении новых наблюдений сохраняет ранее полученное упорядочение состояний сложного объекта по уровню риска, что позволяет определить изменения ситуации и повысить эффективность системы мониторинга.

Практическая значимость. Использование разработанной оценочной подсистемы обработки данных для вербально-числового анализа риска в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов, позволяет повысить обоснованность принятия управленческих решений. Результаты диссертационной работы внедрены в практическую деятельность ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Воронежской области» и использованы при выполнении плановых научно-исследовательских работ в Военном учебно-научном центре Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) и в учебном процессе Воронежского государственного университета.

Методология и методы исследования. Методологической основой работы является системный анализ проблемных ситуаций в категориях риска. Для решения задач диссертационной работы использовались методы интеллектуального анализа данных, квалиметрии, теории вероятностей, теории измерений, теории средних величин, вычислительного (компьютерного) эксперимента, современные методы и технологии программирования.

Положения, выносимые на защиту:

4. модифицированный метод построения интегральной вероятностно-квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга, являющейся оригинальной средневзвешенной квазигеометрической величиной, для вербально-числового анализа риска;

5. модернизированный алгоритм пересчета (корректировки) интегральной вероятностно-квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга с сохранением ранее полученного упорядочения по уровню риска при получении новых наблюдений для определения изменения ситуации;

6. структура и апробация программной оценочной подсистемы обработки данных для вербально-числового анализа риска в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационной работы основана на корректном использовании апробированного математического аппарата и подтверждении полученных теоретических положений вычислительным (компьютерным) экспериментом.

Научные положения, теоретические и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 научных конференциях, в том числе: XVII–XXI международных научно-практических конференциях «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2013-2017 гг.); VII и VIII Московских международных конференциях по исследованию операций (Москва, 2013 г., 2016 г.); международных конференциях «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2013 г.,

2016. г.); XII, XV и XVII международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2012 г., 2015 г.,

2017. г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 6 работ – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: [1-3, 7-9] – исследование свойств средневзвешенной интегральной вероятностно-квалиметрической оценки состояний объектов мониторинга , [10-12] – модернизация алгоритма пересчета (корректировки) средневзвешенной интегральной вероятностно-квалиметрической оценки при получении новых наблюдений и его применение для оценки изменения состояния объекта, [5, 8, 14] – применение риск-ориентированного подхода к оценке экологической ситуации в изучаемом регионе, [13] – разработка структуры программной оценочной подсистемы вербально-числового анализа риска в информационной системе мониторинга состояний сложных объектов, [6] – апробация разработанных методов и алгоритмов при проведении вычислительного эксперимента по вербально-числовому анализу и визуализации уровня экологического риска.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Диссертация изложена на 124 страницах, содержит 27 рисунок, 15 таблиц и библиографию из 144 наименований, в том числе 11 источников на иностранном языке.