Оценка эффективности систем безопасности с помощью моделирования перемещения субъектов движения по охраняемому объекту

Актуальность темы

.

С развитием функциональных возможностей оборудования, используемого в различных системах физической защиты (СФЗ), все более важной становится оценка эффективности проектируемой системы. [61, 64]. Очень часто можно услышать о накопленном опыте и о наработках в данной области. Но в действительности получить с их помощью объективное представление об эффективности СФЗ нельзя. Как правило, ситуация осложняется еще и тем, что так называемые обоснования выбора и установки оборудования не всегда убедительны, и обусловлены сугубо финансовыми причинами, т. е. не обеспечивают требуемый уровень защиты. В то же время методы, которые можно реально применять при оценке эффективности систем физической защиты, по-прежнему далеко не так совершенны, как хотелось бы.

На сегодняшний день существует множество как отечественных [22, 44, 48, 51, 74, 77, 78, 88], так и зарубежных [3, 4, 6, 15] работ, полностью описывающих порядок проектирования и строительства систем обеспечения безопасности людей. Также существует большое количество литературы, в которой так или иначе дается методика определения эффективности данных систем [5, 12, 20, 24, 32, 34, 47, 95], но задача оценки эффективности системы с помощью объективного поиска наиболее опасной траектории движения нарушителя с целью защиты от неё не ставится.

В наиболее распространенных методиках решение задачи определения эффективности системы сводится к построению пути движения нарушителя, определению вероятности обнаружения и (или) нейтрализации нарушителя на данном пути, а также вычислению времени, в течение которого нарушитель будет двигаться к цели после обнаружения. В этом случае все препятствия, встречающиеся на пути нарушителя, описываются вершинами формируемого графа. Возможности перехода от одного препятствия к другому — ребрами графа. Основная сложность, возникающая при построении подобной модели, заключается в определении всех возможных путей движения нарушителя по объекту для построения наиболее точного графа, описывающего объект. Несомненно, слабым местом данного подхода является неточность экспертно заданной траектории движения нарушителя. Эксперт лишь допускает, что нарушитель не выберет другого пути, что не обосновано.

Нельзя предсказать поведение нарушителя, но можно вычислить оптимальную для него траекторию движения, определив тем самым уязвимые части системы физической защиты. Применение же описанного выше графа при нахождении данной траектории не гарантирует, что она будет выявлена.

Существует множество компьютерных приложений, которые помогают оценивать эффективность систем физической защиты. Сейчас можно использовать целый спектр данных приложений от упрощенных расчетных программ типа ЕА81 [7, 31] до сложных трехмерных моделей [24], а также моделей игрового типа [85], где роли нарушителей и сил противодействия играют реальные люди, работающие с данной программой. Также существуют компьютерные программы, использующиеся для расчета путей эвакуации в случае чрезвычайной ситуации. Но, как и при классическом построении графов во всех существующих компьютерных моделях оцениваются ситуации или маршруты, которые были выбраны заранее на основании некоторых эмпирических оценок, а иногда и исходя из так называемого опыта.

В большинстве случаев при проектировании систем безопасности оценка эффективности вообще не проводится, а выбор систем и комплектующих производят на основании ранее производившихся инсталляций, что опять же не гарантирует эффективности системы.

Следовательно, необходимо создать альтернативную математическую модель объекта, защищаемого системой безопасности, и на основании этой модели разработать методику объективной оценки системы безопасности, а также необходимый для этого инструментарий.

Задачи исследования.

Для решения основной задачи диссертационного исследования необходимо решить следующие частные задачи:

1) создать математическую модель движения рассматриваемых персонажей по объекту, оборудованному системой безопасности;

2) решить задачу поиска минимальных по времени путей движения по объекту для следующих персонажей: нарушитель, силы реагирования, поток эвакуирующихся людей;

3) разработать методику оценки эффективности системы безопасности с точки зрения вероятности обнаружения нарушителя;

4) на основании созданной математической модели и методики оценки вероятностных характеристик обнаружительной способности системы безопасности разработать методику интегральной оценки системы безопасности.

Объект исследования.

Объектом исследования является интегрированный комплекс систем безопасности, предназначенный для защиты крупных и распределенных объектов.

Предмет исследования.

Предметом исследования являются процессы анализа и оптимального синтеза комплексов систем безопасности со сложной топологией.

Цель диссертационного исследования.

Целью диссертационного исследования является разработка методики объективной оценки эффективности систем безопасности.

Методы исследования.

При выполнении теоретических исследований и реализации поставленной цели использовались методы системного анализа и декомпозиции, динамического и параллельного программирования, вычислительной и дискретной математики, методы поиска путей теории графов, теория вероятностей.

Информационная база.

Информационная база выполненной работы включает в себя 97 источников по теме диссертации на русском и английском языках: о нормативно-техническая документацияо монографиио диссертации на соискание ученых степенейо учебники и учебные пособияо периодические изданияо доклады и выступления на отечественных и международных форумах, конференциях и семинарах.

Научная новизна результатов работы.

1. Предложена топологическая формализованная математическая модель системы физической защиты охраняемого объекта на основе клеточного поля с целыми значениями анализируемых параметров. Данная модель, в отличие от уже известных, позволяет описать СФЗ объектов со сложной топологией на заданном уровне декомпозиции, а также получить интегральную оценку эффективности СФЗ при наличии множества объектов защиты или распределенного объекта защиты.

2. Применяя методы динамического программирования и стандартные алгоритмы поиска пути в ширину, был разработан алгоритм поиска зоны низкой вероятности обнаружения нарушителя. Для описания плотности вероятности обнаружения нарушителя в заданной точке разработанной топологической модели было впервые введено и успешно применено понятие нормированной дискретной логарифмической вероятности.

3. Для определения наиболее опасного пути был разработан адаптированный к системам безопасности алгоритм поиска пути в ширину с не влияющими на оптимальность найденного пути элементами эвристики, способный находить наиболее быстрый путь движения нарушителя с необходимой точностью и за приемлемое время. Сложность предложенного алгоритма имеет линейную зависимость от количества дискретов на поле модели.

4. Предложена методика оценки эффективности СФЗ крупных и распределенных объектов со сложной топологией. Эта методика, в отличие от уже существующих, позволяет оценивать эффективность системы физической защиты с учетом взаимного влияния ее подсистем и топологии охраняемого объекта, что дает возможность значительно снизить влияние субъективного фактора на результаты оценки.

Научно-практическая значимость результатов работы.

1. На основе разработанных методов создано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач: о оценки эффективности систем физической защиты, о прогноза развития тревожной ситуации в случае обнаружения на объекте нарушителя, о обеспечения эвакуации персонала охраняемого объекта в случае возникновения на охраняемом объекте чрезвычайной ситуации.

Созданное методическое, алгоритмическое и программное обеспечение предназначено для обеспечения безопасного функционирования крупных и распределенных охраняемых объектов.

2. Программная реализация разработанного алгоритма «Анализатор СФЗ ТОДНИРО», позволяет автоматизировать процесс оценки эффективности СФЗ на этапе разработки проекта и при оценке эффективности существующей СФЗ охраняемого объекта, существенно снизить время проектирования и влияние субъективных факторов.

3. Программная реализация алгоритма расчета путей эвакуации «ИРПЭ», позволяет автоматизировать процесс управления потоками людей при эвакуации персонала охраняемого объекта в чрезвычайных ситуациях, существенно снизить время проектирования систем обеспечения эвакуации и исключить при этом влияние субъективных факторов.

4. Применение результатов диссертационных исследований позволит значительно сократить трудозатраты на оценку эффективности СФЗ и повысить достоверность результатов, получаемых при обследованиях систем защиты.

Практические результаты работы:

1. Разработаны рабочие программы «Анализатор СФЗ ТОДНИРО» и «ИРПЭ», позволяющие просчитывать наиболее опасные траектории движения нарушителя, строить оптимальные пути движения охраны, управлять потоками людей при эвакуации.

Данные программы могут использоваться в исследовательских, проектных и эксплуатирующих организациях при создании новых систем физической защиты, а также для оценки эффективности уже существующих систем.

2. Создана методика, позволяющая объективно оценить эффективность системы физической защиты охраняемого объекта.

Практическая реализация результатов работы.

Основные положения работы реализованы в: о крупных проектах оснащения объектов интегрированными комплексами систем безопасности, разработанных в ЗАО «Компания Безопасность», ООО «АльянсЭксперт" — о материалах лекций по дисциплинам «Системы защиты периметров» и «Проектирование СФЗ», читаемых на кафедре «Системы безопасности».

Московского физико-технического института (государственного университета).

Основные положения, выносимые на защиту о Научно-методические положения по решению задачи поиска кратчайших путей и областей обнаружения и пресечения действий нарушителя на модели охраняемого объекта, включающей в себя математические модели субъектов движения: нарушитель, охранник, эвакуирующийся человек. о Методика оценки системы безопасности крупных и распределенных объектов путем оценки обнаружителъной способности системы безопасности и защищенности охраняемого объекта. о Комплекс алгоритмов моделирования развития событий на охраняемом объекте.

Апробация работы о Международный семинар «Распределенные компьютерные и коммуникационные сети». — М.: ИППИ, 2007. (Москва, октябрь 2007 г.) о 50-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция проблем управления. — М.: МФТИ, 2007. (г. Москва, ноябрь 2007 г.) о 51-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. — М.: МФТИ, 2008. (г. Москва, ноябрь 2008 г.) о Конференция молодых ученых. Информационные технологии, секция «Безопасность и противодействие терроризму, защита информации». — СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. (г. Санкт-Петербург, апрель 2009 г.) о IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics INDIN 2009, (Cardiff, UK, June 2009) о 52-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. — М.: МФТИ, 2009. (г. Москва, ноябрь 2009 г.) о VII научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли» — М.:МНТОРЭС, 2010. (г. Адлер 2010 г.) о 53-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Секция систем безопасности. — М.: МФТИ, 2010. (г. Москва, ноябрь 2010 г.) о International Conference on Business, Engineering and Industrial Applications (ICBEIA2011) (Kuala Lumpur, June 2011).

Публикации.

Основные результаты опубликованы в 16 журнальных статьях, сборниках трудов конференций, отчетах о проведенной научно-исследовательской работе:

1. Jleyc A.B. Оценка эффективности систем безопасности. Модель движения нарушителя по охраняемому объекту / LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011 — 117 с. ISBN 978−3-8433−1637−8.

2. Leus A.V., Filimonov A.V. Efficiency Evaluation of Physical Protection System // International Conference on Business, Engineering and Industrial Applications (ICBEIA2011) Kuala Lumpur, 2011.

3. Jleyc A.B., ШанаевГ.Ф. Оптимизация структуры интегрированной системы безопасности // Системы безопасности, 2011, № 1 (97), — С. 112−114.

4. Гаврилов Д. А., Jleyc A.B., Гаврилова Т. С. Применение портативного рамановского спектрометра «Око» в системах безопасности // T. Comm Телекоммуникации и транспорт, январь 2011, № 1, — С.35−37. (ВАК).

5. Корчагин С. И., Jleyc A.B., Филимонов A.B. Реализация алгоритма расчета минимального времени проникновения нарушителя // Автоматизация и современные технологии, январь 2011, № 1, — С.28−30. (ВАК).

6. Jleyc A.B. Математическая модель оценки эффективности систем физической защиты // T. Comm Телекоммуникации и транспорт, 2010, № 6, -С.46−49. (ВАК).

7. Jleyc A.B., Филимонов A.B. Система интеллектуального управления эвакуацией: расчет минимального пути // Пожарная безопасность 2011, — СЛ58—161.

8. Jleyc A.B., ШанаевГ.Ф. Организация взаимодействия средств обнаружения и системы теленаблюдения на периметре охраняемого объекта // Системы безопасности, 2010, № 5(95), — С.156−158.

9. Jleyc A.B. Использование трехмерных компьютерных моделей при оценке систем физической защиты. // БДИ (безопасность, достоверность, информация). — 2010. 4(90). — С.22−25.

10. Корчагин С. И., Jleyc A.B., Филимонов A.B., Шанаев Г. Ф., Порядок проведения оптимизации структуры ИКСФЗ// БДИ (безопасность, достоверность, информация), август-сентябрь 2010, выпуск 3(89), — С.20−23.

11. Jleyc A.B. Новое слово в интегрированных системах // Системы безопасности, июнь-июль 2010, выпуск 3(93), — С.122−123.

12. Jleyc A.B. Быстродействие интегрированных систем физической защиты // Системы безопасности, июнь-июль 2010, выпуск 3(93), — С.128−129.

13. Jleyc A.B. Временные задержки в интегрированных системах физической защиты" // Системы безопасности", сборник «ОПС 2009», -С.32−33.

14. Levin M.Sh., LeusA.V., Configuration of integrated security system, 7th IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics INDIN 2009, Cardiff, UK, June 2009.

15. Jleyc A.B. Возможности интеграции современных систем физической защиты // сборник трудов VI-й Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых — СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. — С. 149−152.

16. Отчет по НИР «Разработка технических предложений на создание систем связи, телекоммуникаций и управления производством Озерного.

ГОКа на новой технологической платформе «Интеллектуальные встроенные системы», этап 1 по договору № 20/2010 от 27.10.2010 г.

Получены авторские свидетельства на разработанные программы: о Леус A.B., Филимонов A.B. Анализатор СФЗ «ТОДНИРО» // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 010 615 982. о Леус A.B., Филимонов A.B. Анализ путей эвакуации «ИРПЭ» // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 010 610 931.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 126 машинописных страниц формата A4 печатного текста с иллюстрациями. Список используемой литературы включает 97 наименований.

4.4 Выводы.

Разработанная методика оценки эффективности систем безопасности может быть применена как при оценке эффективности систем физической защиты, так и при расчете оптимальных планов эвакуации в режиме чрезвычайной ситуации.

Описаны основные моменты при проведении оценки эффективности системы физической защиты.

Введено понятие целевой функции, на основании которого и проводится оценка эффективности. В рамках работы по оценке эффективности СФЗ после проведения ряда подготовительных работ необходимо производить вычисление целевой функции, оценку частного значения для данной функции, на основании производимых оценок из выбранных альтернативных вариантов структуры выбрать оптимальный.

Алгоритм, разработанный для оценки эффективности систем физической защиты, может применяться при решении задачи эвакуации людей в случае чрезвычайной ситуации. При соответствующей интеграции с оборудованием, управляющим инженерными и сигнализационными системами, возможно управление потоком движущихся людей, учитывающее сложную и изменяющуюся в реальном времени ситуацию на объекте.

Заключение

.

В результате проведенных исследований разработана новая методика оценки эффективности систем физической защиты, которая в отличие от существующих в настоящее время, исключает влияние субъективных факторов на процесс принятия решения при проектировании и модернизации СФЗ.

Разработанная математическая модель и программное обеспечение позволяет не только объективно проводить оценку эффективности СФЗ, но и управлять потоками людей, учитывая быстрое изменение обстановки при развитии чрезвычайной ситуации.

Основные научные и практические результаты работы докладывались на 10-ти конференциях, в том числе трех международных.

В период с 2007 по 2011 год опубликовано 25 печатных работ, из них 11 статей в журналах, 3 из которых — в изданиях по перечню ВАК, 5 статей в сборниках трудов конференций, 4 тезиса докладов, монография, глава в книге, отчет по НИР, 2 авторских свидетельства.

В рамках проведенного исследования были получены следующие основные выводы и результаты: о создана математическая модель движения по объекту рассматриваемых персонажей: нарушитель, силы реагирования, эвакуирующийся человеко на основе математической модели движения персонажей по объекту разработана новая методика оценки эффективности систем физической защиты, которая в отличие от существующих в настоящее время, исключает влияние субъективных факторов на процесс принятия решения при построении СФЗо разработаны методика оценки обнаружительной способности системы безопасности и методика оценки защищенности охраняемого объектао в основе разработанных методик лежит разработанный автором комплекс алгоритмов, позволяющий решать задачу поиска минимальных по времени путей движения для всех персонажей в заданной компьютерной модели объектао разработанный алгоритм поиска минимальной по времени траектории субъекта движения до цели основывается на построенной математической модели, которая устанавливает связь между параметрами движения и параметрами анализируемого объектао субъективизм в оценке эффективности системы физической защиты исключается за счет достаточно точного и полного отображения исходной информации, и информации, полученной с помощью разработанного алгоритма моделирования движения нарушителя и сил охраны.

Исходными данными для моделирования являются:

— время преодоления каждым субъектом движения одного дискрета пространства анализируемого объекта с учетом размещенных на нем препятствий и рубежей охраны,.

— вероятность обнаружения субъекта движения в каждом дискрете пространства анализируемого объекта.

Результатом моделирования являются:

— минимально возможное время движения субъекта от стартовой до целевой клетки, а также оптимальная траектория, соответствующая данному времени;

— область всех посещенных клеток;

— область клеток, где вероятность обнаружения нарушителя ниже пороговой;

— область клеток, куда силы реагирования пребывают раньше нарушителяо Основываясь на построенной математической модели, разработаны все необходимые инструменты для оценки эффективности систем физической защиты, с помощью которых есть возможность анализировать и вычислять: обнаружительную способность комплексов систем, способность системы безопасности предотвратить несанкционированные действия, а также находить оптимальные пути при эвакуации людей. Использование технологий распараллеливания вычислительной нагрузки позволяет для решения поставленной задачи применять компьютеры, объединенные в сети, что в свою очередь позволяет за приемлемое время анализировать типовые объекты с достаточной степенью дискретизации. о Оценка эффективности СФЗ анализируемого объекта производится на основании определения области низкой вероятности обнаружения нарушителя, а также оценки времени опережения службой охраны нарушителя, прибывшего к объекту защиты для совершения несанкционированного действия. о Задавая в качестве стартовых клеток — точки во внутренних помещениях зданий, а в качестве целевых клеток — выходы из здания, разработанный алгоритм может быть использован при решении задачи эвакуации людей в случае чрезвычайной ситуации. При соответствующей интеграции с оборудованием, управляющим инженерными и сигнализационными системами, возможно управление потоком движущихся людей, учитывающее сложную и изменяющуюся в реальном времени ситуацию на объекте.

Применение методики оценки эффективности систем безопасности с помощью моделирования перемещения субъектов движения по охраняемому объекту позволит создавать надежные и эффективные системы безопасности на этапе проектирования. Кроме того, алгоритм, используемый в программном обеспечении, управляющим такими системами, окажет существенную помощь в принятии решения оператором.

Современные вычислительные мощности позволяют рассчитывать данные модели за достаточно малое время. В зависимости от вычислительной мощности системы, величины дискрета пространства и количества стартовых и целевых клеток на сегодняшний день расчет может занимать от десятых долей секунды до нескольких минут. Таким образом, при достаточно небольшой дискретизации программа точной оценки действия нарушителя и реакции сил охраны может оценивать ситуацию практически в режиме реального времени.