Разработка методов и алгоритмов решения управленческой задачи определения сил и средств для тушения пожаров в крупном городе

Роль городов в развитии общества непрерывно возрастает. Растет население городов, увеличивается их территория, меняется характер городских поселений, они сливаются, образуя агломерации, мегаполисы. Если в начале 20 века в городах проживало только 14% населения Земли, к 1950 году -30%, то в начале 21 века уже примерно половина населения Земли живет в городах, а в наиболее развитых странах более 70−90% их населения являются жителями городов [92]. В России большая часть населения страны (73%) также проживает в городах, причем свыше 35% горожан являются жителями 13 крупных городов-миллионеров [33].

Быстрый рост городов порождает много проблем социального, экономического и экологического характера. В городах возникает большинство пожаров, аварий и других чрезвычайных происшествий, уносящих человеческие жизни и ценности. При росте городов, к сожалению, наблюдается и тенденция роста перечисленных опасностей, в том числе пожаров. Большая часть пожаров в городах возникает в жилых домах, и именно в них погибает большая часть людей, ставших жертвами пожаров. Анализ статистических данных показал, что около 35% пожаров произошли в жилых и административных зданиях, где погибли 85% - 90% всех жертв [11].

Вот лишь некоторые из примеров крупных пожаров в административных и жилых зданиях, произошедших на территории России:

— 1977 г., февраль, Москва, гостиница «Россия», при пожаре в 11- и 23-этажных корпусах погибло 42 человека;

— 1991 г., февраль, Санкт-Петербург, во время пожара в гостинице «Ленинград» на 7 этаже погибло 16 человек;

— 1999 г., февраль, Самара, при пожаре в 5-этажном здании ГУВД погибло 53 человека;

— 1999 г., декабрь, Москва, во время пожара в общежитии МГУ погибло 12 человек;

— 2003 г., ноябрь, Москва, при пожаре в 5-этажном здании общежития Российского университета дружбы народов погиб 41 человек.

При тушении пожаров в городских условиях пожарные сталкиваются с многочисленными трудностями, препятствующими ликвидации горения. К числу таких трудностей можно отнести: увеличение числа высотных зданий и зданий повышенной этажности, увеличение площадей промышленных и гражданских объектов, широкое применение полимерных горючих материалов, увеличение транспортного потока на улицах городов, ведущего к увеличению времени следования пожарных подразделений. Все эти обстоятельства способствует росту количества и масштабов пожаров.

Поэтому постоянное нарастание пожарной угрозы в городах диктует необходимость повышения эффективности систем пожарной безопасности объектов, что требует проведения целого комплекса мероприятий, в том числе:

— повышение качества пожарной техники;

— широкое внедрение автоматических средств пожарной сигнализации, тушения пожаров, противодымной защиты;

— повышение качества оперативного управления пожарными подразделениями;

— улучшение надзорно-профилактической противопожарной деятельности;

— повышение профессионального уровня работников пожарной охраны.

В этом комплексе мероприятий особо следует отметить повышение качества оперативного управления подразделениями пожарной охраны в целях обеспечения рационального использования ограниченных ресурсов и оптимизации деятельности всей системы пожарной охраны.

Известно, что основой оперативного управления является принятие решения руководителем тушения пожара (РТП). От его обоснованности во многом зависит функционирование сил и средств пожарной охраны и эффективность мер по предотвращению пожара, его ликвидации, спасению людей и материальных ценностей. Характерной особенностью принятия решений руководителем тушения пожаров при управлении оперативными пожарными подразделениями являются крайне ограниченное время для принятия решений и недостаточность конкретной информации о пожарах, в том числе:

— о причинах пожаров (взрыв газовоздушной смеси, поджог, неисправность электротехники, неосторожное обращение с огнем и др.);

— о местах возникновения пожаров, направлениях и времени их свободного развития, площади пожаров;

— о состоянии технических средств пожаротушения и дымоудаления в зданиях;

— о количестве людей, подлежащих эвакуации и местах их нахождения.

Ограниченность времени, и недостаточность информации значительно повышают ответственность решений, принимаемых руководителями, и предъявляют высокие требования к их компетенции и личным качествам.

Сложность выбора решений и прогнозирования их последствий усугубляется тем, что этот процесс осуществляется в условиях действия факторов неопределенности и риска.

При принятии решений в процессе оперативного управления руководитель обязан руководствоваться указаниями нормативных документов, на основе которых, и строится план ведения боевых действий.

Существующие в настоящее время документы нормативного и методического характера [77 — 80] требуют жесткого норматива выделения сил и средств от подразделений пожарной охраны, и не всегда учитывают складывающуюся на текущий момент оперативную обстановку в городе. В подобных случаях руководителю тушения пожара приходится полагаться только на свой опыт, знания и интуицию, что не может гарантировать эффективного результата. Из-за жесткого норматива выделения сил и средств зачастую остаются без должного прикрытия некоторые обслуживаемые районы, в которых имеется вероятность возникновения серьезных пожаров. Руководитель тушения пожара в таких случаях сталкивается с многокритериальной задачей с противоречивыми целями. Такие задачи являются наиболее сложными в теории принятия решений, и применительно к задаче оптимального привлечения сил и средств пожарной охраны для ликвидации пожара они до конца не решены.

Для решения этих задач необходимо учитывать комплексность проблемы, многовариантность и неочевидность многих ситуаций оперативной обстановки. При этом игнорирование тех или иных связей и отношений между элементами обстановки может означать одностороннее, а следовательно, искаженное отражение действительности, что, в свою очередь, может явиться причиной серьезных ошибок в решении задач, возникающих перед подразделениями пожарной охраны.

Применение новых информационных и коммуникационных технологий, реализуемых на электронных вычислительных машинах (ЭВМ) и компьютерных средствах связи позволяет значительно повысить качество оперативного управления пожарными подразделениями.

Существует настоятельная необходимость ускоренного перехода от сложившихся традиционных методов управления к комплексному применению автоматизированных (человеко-машинных) систем управления. В связи с этим, требуется разработка систем поддержки принятия решений (СППР), позволяющих осуществлять более детальную подготовку решений на основе заранее разработанных рекомендаций высококвалифицированных специалистов.

Автоматизация процесса управления силами и средствами, оснащение пожарных подразделений вычислительной техникой дают возможность снизить субъективный фактор при принятии решений.

Практическая значимость систем поддержки принятия решений (информационно-аналитических систем) в значительной степени зависит от эффективного взаимодействия постановщика проблемы (заказчика СППР) и специалиста по предоставлению и систематизации необходимых данных (разработчика СППР), обрабатываемых компьютером. Это обусловливает целесообразность создания методов решения управленческих задач, обеспечивающих автоматизированную выработку рекомендаций для лица, принимающего решение (ЛПР).

В работе предлагается разработать методы и алгоритмы решения задачи определения ранга пожара, и на их основе построить системы поддержки принятия управленческих решений по определению ранга пожара.

Цель работы: разработка методов и алгоритмов решения управленческой задачи по определению необходимых сил и средств для тушения пожаров в крупных городах, обеспечивающих полноту выявления и учета возможных ситуаций, позволяющих повысить обоснованность и эффективность решений, принимаемых руководителями оперативных пожарных подразделений и уменьшающих субъективный характер принятия решений.

Основные задачи работы:

— исследование проблемы принятия управленческих решений руководителями пожарных подразделений при тушении пожаров;

— обоснование необходимости применения систем поддержки принятия решений в управлении пожарными подразделениями при тушении пожаров в крупных городах;

— разработка методов и алгоритмов решения задачи определения ранга пожара для различных объектов;

— разработка метода определения компетентности экспертов;

— создание комплекса программных средств, составляющих основу системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара;

— выявление особенностей использования систем поддержки принятия решений по определению ранга пожара;

— экспериментальная проверка методов решения задачи определения ранга пожара.

Объект исследования — системы поддержки принятия управленческих решений при оперативном управлении пожарными подразделениями.

Предмет исследования — методы определения ранга пожара с применением систем поддержки принятия управленческих решений.

Методы исследования, применяемые в работе, базируются на системном подходе, теории управления и принятия решений, методах экспертной классификации, теории нечётких множеств, методе построения диаграмм состояний исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертации впервые научно обоснованы и разработаны:

— математическая модель и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, позволяющие формализовать параметры, влияющие на определение ранга пожара с учетом их значимости.

— метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, основанные на использовании математического аппарата теории нечетких множеств, обеспечивающие полноту выявления и учета возможных ситуаций;

— метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, основанные на построении диаграммы состояний исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров, позволяющие учитывать влияние всей совокупности параметров на ранг пожара;

— метод определения компетентности экспертов, участвующих в построении системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара, основанный на априорных и тестовых способах оценки уровня квалификации эксперта и позволяющий повысить уровень достоверности информации, получаемой от экспертов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированного математического аппарата, а также экспериментальной проверкой разработанных математических моделей.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— данные исследования позволили выработать новые подходы к разработке информационно-советующих систем поддержки принятия управленческих решений при оперативном управлении пожарными подразделениями;

— показана эффективность применения математического аппарата теории нечетких множеств, экспертной классификации, методов построения диаграмм состояний исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров для решения задачи определения ранга пожара;

— применение разработанных математических моделей по определению ранга пожара позволяет формализовать процесс принятия решений и способствует повышению степени их обоснованности.

В работе показано, что системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара, построенные на основе разработанных методов и алгоритмов, позволяют значительно сократить время, необходимое на принятие решений, способствуют повышению оперативности управления пожарными подразделениями и могут применяться руководителями оперативных пожарных подразделений для решения следующих типов управленческих задач:

1. Оценка текущего состояния пожара и динамики его развития. Системы предоставляют руководителям оперативных подразделений и диспетчеру центра управления силами возможность в любой момент времени определить необходимый состав сил и средств на основе оперативной информации, источником которой являются данные разведки пожара.

2. Сравнительный анализ эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах. При наличии соответствующей информации системы позволяют провести сравнительный анализ принятых руководящим составом решений по определению необходимых сил и средств, а также позволяют оценить принятие определённого варианта управленческого решения на пожарно-тактических учениях и занятиях.

3. Разработка документов предварительного планирования боевых действий пожарных подразделений. Системы поддержки принятия решений позволяют разрабатывать планы пожаротушения для крупных объектов, которые способствуют организации мероприятий по заблаговременной подготовке сил и средств к действиям в условиях пожара.

Внедрение результатов исследования. Результаты исследования внедрены в практическую деятельность Управления государственной противопожарной службы ГУ ГОЧС Ростовской области, использованы в учебном процессе по дисциплине «Информационные технологии управления» в Академии ГПС МЧС России, в научных исследованиях в Федеральном центре науки и высоких технологий ВНИИ ГОЧС МЧС России при разработке методических рекомендаций по созданию структурированной системы мониторинга и управления инженерными системами потенциально опасных объектов, зданий и сооружений, а также при разработке «Концепции совершенствования автоматизированной системы пожарной безопасности на объектах культурно-зрелищного назначения», предусмотренной Единым тематическим планом НИОКР МЧС России на 2004 год, часть 2 (П. АкГПС. Д. 02.2004 «Культура», раздел 3, п. 3.4.13).

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся:

— алгоритм решения задачи определения ранга пожара на основе метода экспертной классификации;

— метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, основанные на использовании математического аппарата теории нечетких множеств;

— метод и алгоритм решения задачи определения ранга пожара, основанные на построении диаграммы состояний исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров;

— метод определения компетентности экспертов, участвующих в построении системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара;

— алгоритм определения состава экспертной комиссии.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в учебно-научном комплексе автоматизированных систем и информационных технологий Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, а также на международных и всероссийских конференциях: 11-й, 12-й и 13-й международных конференциях «Системы безопасности» (Москва — 2002, 2003, 2004) — международной научно-технической конференции «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва — 2003) — 8-м и 9-м международных форумах «Технологии безопасности» (Москва — 2003, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, 5 в соавторстве [101 — 105] и 4 самостоятельно [40 — 43].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 193 страницы: 135 страниц основного текста, включающего 16 рисунков, 8 таблицсписок литературы из 135 наименований на 12 страницах и 4 приложения на 46 страницах.

§ 4.5. Выводы.

1. При проведении экспертизы необходимо учитывать причины, которые могут приводить к неточности в процессе получения и обработки информации и к неверным выводам, в связи с этим в работе сформулированы основные требования к организации экспертизы, выполнение которых обеспечивает ее качественное проведение.

2. Достоверность полученных результатов в системе поддержки принятия решений зависит от оценок, данных экспертами, поэтому целесообразно определить компетентность эксперта (группы экспертов), чтобы избежать субъективизма при получении экспертных оценок. В работе предложен метод определения компетентности эксперта на основе двух критериев: степени осведомленности по рассматриваемой проблеме и уровнем квалификации с точки зрения других экспертов. Данный метод позволит облегчить процедуру создания экспертной комиссии.

3. Системы поддержки принятия решений, построенные на основе разработанных методов, могут применяться для решения ряда задач, заключающихся в оценке текущего состояния пожара и динамики его развития, в сравнительном анализе эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах, а также в разработке документов предварительного планирования боевых действий пожарных подразделений.

4. Полученные теоретические и методические результаты проверены на ряде практических примеров в процессе анализа пожаров, произошедших в различных городах России. Результаты проверки показали, что системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара имеют достаточно высокую эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Важнейшим направлением совершенствования качества оперативного управления пожарными подразделениями является совершенствование системы обработки и анализа информации как необходимой предпосылки выработки и принятия научно обоснованных управленческих решений. Оснащение оперативных подразделений пожарной охраны электронной вычислительной техникой даёт возможность повысить качество оперативного управления силами и средствами пожарной охраны и способствует принятию научно обоснованных решений.

В результате проведенного научного исследования осуществлено решение управленческой задачи по определению состава сил и средств для тушения пожаров (ранга пожара) с помощью систем поддержки принятия решений.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Выявлено, что при определении необходимого количества сил и средств руководителем тушения пожара учитывается множество факторов, характеризующих складывающуюся обстановку на горящем объекте. Проведен анализ оперативно-тактической характеристики объектов (на примере административных и жилых зданий) определены основные факторы (параметры), влияющие на установление ранга пожара.

2. Установлено, что рассматриваемые параметры, влияющие на определение ранга пожара, имеют различную значимость. Введены весовые коэффициенты, пропорциональные вкладу соответствующих параметров в оценку состояния объекта, на котором произошел пожар. Расчет нормированных весовых коэффициентов предложено осуществлять, используя метод парных сравнений.

3. На основе метода экспертной классификации построена математическая модель и разработан алгоритм решения задачи определения ранга пожара, позволяющие формализовать любое количество параметров, влияющие на определение ранга пожара с учетом их значимости.

4. Разработан метод решения задачи определения ранга пожара с применением теории нечетких множеств, позволяющий учитывать расплывчатость границ между смежными рангами, т. е. возможную принадлежность объекта классификации к различным рангам по каждому параметру. Реализация алгоритма, построенного на основе данного метода, при создании СППР позволяет повысить точность решения задачи.

5. Разработан метод решения задачи по определению ранга пожара с применением теории нечетких множеств, основанный на построении диаграмм состояний исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров. Научно обоснован алгоритм, позволяющий получить численные критерии принадлежности ранга пожара, учитывающие одновременное влияние всей совокупности параметров. Использование данного метода позволяет решать задачи по одновременному определению нескольких свойств исследуемого объекта.

6. Проведен анализ типичных ошибок, с которыми могут сталкиваться эксперты при проведении экспертизы, сформулированы требования к проведению экспертизы, и разработан метод определения компетентности экспертов, позволяющий повысить качество проведения экспертизы.

7. Полученные теоретические и методические результаты проверены на ряде практических примеров в процессе анализа пожаров, произошедших в различных городах России. Результаты проверки показали, что системы поддержки принятия решений по определению ранга пожара имеют достаточно высокую эффективность.

Системы поддержки принятия решений, построенные на основе разработанных математических моделей решения задачи определения ранга пожара, могут применяться руководителями оперативных пожарных подразделений для решения следующих типов управленческих задач:

— оценка текущего состояния пожара и динамики его развития;

— сравнительный анализ эффективности деятельности руководителей пожарных подразделений на различных пожарах;

— разработка документов предварительного планирования боевых действий пожарных подразделений.

Следует подчеркнуть, что построенные в работе модели, основанные на использовании математического аппарата теории нечетких множеств, экспертной классификации, построения диаграмм состояний исследуемого объекта в многомерном пространстве его параметров, а также разработанные алгоритмы решения данной управленческой задачи могут применяться для определения сил и средств и в других службах экстренного реагирования, силовых и специальных структурах.

Представляется, что полученные в диссертации теоретические и прикладные результаты могут найти применение не только в сфере управления, но и в таких областях науки, как:

— социология (анализ критических ситуаций и конфликтных отношений в социальных группах, выявление угроз и причин их возникновения);

— экономика (выявление динамики развития ситуации в экономических системах, составление прогнозов);

— медицина (выявление предрасположенности к различного рода заболеваниям и их диагностика);

— образование (методика преподавания с учетом особенностей групп обучаемых, индивидуальное планирование учебного процесса).