Система мониторинга пожарной и медико экологической безопасности с использованием анализа видеоданных с беспилотных летательных аппаратов
 Скачать 2.07 Mb.
|
|
1.4 Анализ каналов информации, обеспечивающих поддержку принятия управленческих решений на пожаре Собираемая в процессе мониторинга информация используется для оптимизации деятельности персонала, занимающегося пожаротушением, в рамках сложной системы пожаротушения. Существует два основных показателя оценки управленческой информации при организации оперативно-тактических работ пожарно-спасательных подразделений на месте вызова: она должна быть достоверной и полной по своему содержанию. Качественное состояние этих показателей ключевым образом влияет на эффективность работы руководителя тушения и в целом на функционирование системы управления на пожаре. Также следует отметить, что ввиду большого количества элементов системы, посылающих РТП потоки информации, велика вероятность того, что большая доля сведений является избыточной. Тем самым чрезмерный объем ненужной информации увеличивает нагрузку на лицо, принимающее оперативные решения на месте ликвидации очага возгорания и, зачастую, тормозит процесс выработки эффективных решений [84]. При получении и обработке информации о выборе решающего направления и общем тактическом замысле целесообразным методом является подготовка аналитического материала, отображающего ход и развитие ситуации на пожаре, а 38 также основные детали и их конкретные особенности. Данный аналитический материал должен быть определен совокупностью нормативно-технической документации, документов предварительного планирования объекта защиты и результаты проведенной разведки пожара. Все эти сведения должны разрабатываться сотрудниками, с учетом их опыта и полученных знаний в области пожаротушения, а также непосредственно руководителем тушения пожара. В нашей стране вопросами информационной поддержки принятия решений при тушении пожаров до последнего времени занимался довольно узкий круг научных кадров. Данный факт можно объяснить тем, что процедура принятия управленческих решений при руководстве пожаротушением непосредственно на месте пожара достаточно сложна и многогранна и должна сопровождаться с учетом внешних факторов, влияющих как на технико-технологическую составляющую тушения пожара, так и на качественный процесс работы личного состава пожарного подразделения. С точки зрения основ информатики управление – это процесс переработки информации [57, 103]. Руководитель тушения пожара (РТП) на месте пожара выполняет роль информационно-аналитического центра, координирующего потоки информации, протекающие между участниками пожаротушения. В процессе управления на месте пожара вся поступающая и передаваемая информация требует постоянного скрупулезного оценивания и анализа, вне зависимости от еѐ формы, содержания, а также источников и каналов передачи. Кроме того, профессиональная работа РТП изобилует множеством различных стрессоров: экстремальные ситуации, неопределенность на этапах выработки и контроля выполнения принимаемых решений, а также персональная ответственность за качество осуществляемых личных действий и действий всех участников тушения пожара (нарушение должностных инструкций, правил охраны труда и т.д.). Процесс управления оперативными подразделениями на месте пожара представляет собой алгоритм, состоящий из трансформации различной 39 полученной информации: целевой (в соответствии с выбором решающего направления), регламентированной (процесс ведения боевых действий), аналитической (корректировка действий, исходя из складывающейся обстановки), поступательно-результативной (выполнение основной боевой задачи) и контрольно-исполнительной (контроль исполнения принятых решений всеми участниками пожаротушения). Исходящая от РТП информация, адресуемая всем участникам тушения, доводится в максимально сжатой форме в виде приказов и распоряжений через механизмы управления, приоритетной задачей которой является достижение конечной цели созданной системы управления пожарно- спасательными подразделениями на месте пожара. Следовательно, основным предметом системы управления силами и средствами на пожаре представляется информация, так как она ориентирует важную составляющую – деятельность оперативного штаба и всех участников пожаротушения, существенно предопределяет их действия, направленные на выполнение оперативно- тактической задачи. Следовательно, основная цель создания системы управленческой информации предполагает приведение органов управления силами и средствами на пожаре к должному уровню управленческой мысли. Управленческая информация должна гармонировать с основными предъявляемыми к ней требованиями: своевременность, краткость, непрерывность, достоверность и оперативность [57, 103]. Помимо вышеперечисленного, следует заметить еще об одном важном свойстве системы управления силами и средствами на пожаре – энтропийности, которая является мерой неопределенности, зависящей от незапланированных факторов, степень которых в различные моменты времени может быть различной. Развитие энтропии может отображать общую тенденцию к происхождению хаотических процессов в рассматриваемой системе или невысокий уровень внутренней организованности [57, 103]. Энтропия системы управления силами и средствами на пожаре связана с недостатком информационного взаимодействия РТП со своими подчиненными при выполнении действий по тушению. 40 При принятии управленческих решений при тушении пожаров можно выделить два канала информационного обеспечения: - централизованный канал (характеризуется поступлением достаточно достоверной, регламентированной и конкретизированной информации); - хаотичный (характеризуется огромным количеством информационных потоков, поступающих к руководителям по проводной и радиоканальной связи, в форме устных докладов и письменных рапортов в неупорядоченном режиме, и которые требуют тщательного анализа и разбора). Сложно определить количество полезной информации, которая поступает по обоим каналам, однако анализ работы руководителей тушения пожара позволяет сделать следующий вывод: информированность РТП является общим слагаемым сведений, поступающих по хаотичному каналу информации. Хаотичный канал информации – это всегда смесь централизованно поступающей информации и возмущений внешней среды. Так на пожаре можно выделить два вида возмущающих воздействий: 1) нагрузка (повышенное тепловое воздействие, негативные климатические условия, конструктивные особенности горящих зданий и сооружений и проч.); 2) помехи (перебои с радиосвязью, недостаточное количество водоисточников, неожиданные сбои в работе техники и т.д.). Участники пожаротушения, как неотъемлемые элементы информационной системы на пожаре, формируют определенные критерии своего взаимодействия на принципах достоверности, своевременности, оперативности, объективности и лаконичности. Система управления силами и средствами предполагает такой четкий порядок интерактивности в пожарно-спасательном коллективе, который будет способствовать снижению еѐ неопределенности и повышению эффективности на всех управленческих уровнях [77]. Схема распределения каналов информации на пожаре между участниками тушения пожаров представлена на рисунке 1.1. 41 Рисунок 1.1 – Схема распределения информационных потоков в системе управления силами и средствами на пожаре Создание информационной системы поддержки принятия управленческих решений при тушении пожаров достаточно трудоемкий процесс с точки зрения инструментальной обработки данных при создании необходимого программного обеспечения. К тому же ограниченность в людских и материальных ресурсах создает дополнительные барьеры. Гораздо логичнее с точки зрения практики попытаться разработать минимально необходимый набор функциональных самостоятельных информационных подсистем, способных обеспечить поддержку принятия решений РТП в сложной и критической обстановке на пожаре. 42 Поэтапный процесс проектирования системы информационной поддержки позволяет рассматривать проблемные области пожаротушения с различных сторон, углубляясь лишь в приоритетные аспекты, решение которых требует на данном этапе незамедлительного вмешательства разработчиков. Соответственно, концепция разработки системы управленческой информации, необходимой РТП для принятия решений на месте тушения пожара, формулируется исходя из двух основополагающих принципов: система должна разрабатываться как комплекс самостоятельных функциональных информационных подсистем; в системе достаточно четко должна прорисовываться взаимосвязь общей целевой функции и конечного результата путем прогнозирования всех направлений деятельности РТП. 1.5 Цель и задачи исследования Проблема своевременного обнаружения пожаров, позволяющая предотвратить огромные экономические потери и людские жертвы, является повседневной и глобальной для всего человечества. Потенциальная возможность экономии финансовых средств, затрачиваемых на проведение оперативно- тактических действий по тушению пожара, напрямую зависит от его раннего обнаружения на стадии возникновения. Существует несколько классических способов мониторинга пожаров на открытой местности в АТЕ: авиационный, спутниковый и наземный. Спутниковый и авиационный способы достаточно затратны и преимущественно используются при обнаружении крупных ландшафтных и техногенных пожаров. Цель исследования состоит в разработке моделей, методов и алгоритмов управления системой мониторинга пожарной и медико-экологической 43 безопасности, обеспечивающих повышение эффективности процесса мониторинга за счет автоматизации классификации видеоданных с беспилотных летательных аппаратов. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1. Выполнить системный анализ методов мониторинга и прогнозирования пожарной и медико-экологической безопасности в выделенных территориальных единицах. 2. Разработать метод синтеза математических моделей оценки пожарной обстановки и состояния людей, находящихся в зоне пожара. 3. Разработать концептуальную модель системы мониторинга пожарной и медико-экологической безопасности с использованием анализа видеоданных с беспилотных летательных аппаратов. 4. Разработать метод оптимизации функционирования модуля воздушного наблюдения пожарной и медико-экологической безопасности. 5. Разработать метод сегментации видеоданных, поступающих с беспилотного летательного аппарата при мониторинге пожарной обстановки. 6. Разработать метод классификации сегментов на аэроснимках, полученных при мониторинге пожарной и медико-экологической безопасности. 7. Провести экспериментальные исследования эффективности предложенных методов, алгоритмов и моделей в системе мониторинга пожарной и медико-экологической безопасности в выделенных территориальных единицах. 44 2 Метод и модели оценки пожарной обстановки и состояния людей, находящихся в зоне пожара 2.1 Объекты, методы и средства исследования Объектом исследования диссертационной работы являются методы, модели, алгоритмы и технические средства, решающие задачи обнаружения и прогнозирования развития пожарной обстановки с последующим принятием решений о рациональной организации борьбы с пожарами. Одновременно с этим решаются задачи прогнозирования и оценки состояния здоровья людей. Анализ литературы и собственные исследования показывают, что, несмотря на схожесть некоторых групп пожаров, все они обладают своими уникальными характеристиками, учет которых может значительно увеличить эффективность борьбы с этого класса чрезвычайными ситуациями. Классические методы оценки индивидуальных характеристик пожара базируются на использовании нейросеиевых технологий. Однако их использование для решения поставленных в работе задач требует наличия достаточно больших объемов обучающих выборок и значительных временных затрат. Задачи «тонкой» классификации различных особенностей пожаров осложняются ещѐ и тем, что структура данных, описывающих характеристики различных типов пожаров, зачастую носит нечеткий и неполный характер, скрываемый различными типами помех. Опыт решения задач с похожей структурой данных, особенно в части задач прогнозирования и оценки состояния людей, находящихся в зоне действия чрезвычайных ситуаций, показал, что достаточно хороших результатов по качеству принимаемых решений можно достичь, используя методологию синтеза гибридных нечетких решающих правил (МСГНРП), разработанных в Юго- Западном государственном университете, если еѐ адаптировать под решение задач конкретного типа [52, 53, 61, 62, 63, 86]. Отличительной особенностью МСГНРП является активное соединение естественного интеллекта специалистов 45 предметной области (естественный интеллект) и искусственного интеллекта, реализуемого машинными алгоритмами. Естественный интеллект специалистов-экспертов восполняет недостаток необходимых статистических данных и позволяет при взаимодействии с инженером-когнитологом строить формальные модели для плохо формализуемых задач. Инженер-когнитолог, используя данные разведочного анализа, подбирает математические модели, адекватные структуре данных решаемых задач. Рациональное взаимодействие интеллектуальных составляющих обеспечивается соответствующим алгоритмическим обеспечением МСГНРП. Такой подход дает возможность создавать качественно новые типы систем поддержки принятия решения (СППР), позволяющие решать более широкий круг задач интерпретации пожарной обстановки и ее влияния на состояние здоровья, обеспечивая повышение эффективности принимаемых решений в условиях неполноты и неопределенности исходных данных. При использовании МСГНРП большую работу выполняют эксперты- специалисты выбранной предметной области (специалисты по пожарам, профпатологи, токсикологи). Готовность группы экспертов к совместной работе проверяется по требованиям, принятым в квалиметрии по коэффициенту конкордации на тестовых задачах, подбираемых из исследуемой предметной области. Количество экспертов определялось по рекомендациям работ [25]. Отобранная группа экспертов готовится к решению поставленных задач в соответствии с общими рекомендациями МСГНРП [25]. В основу групповой работы экспертов положен метод «Дельфи», который характеризуется быстрым поиском решений в процессе «мозговой атаки». Основными элементами частных решающих правил (ЧРП) являются: функции принадлежности к классам с выбранным типом базовой переменной (информативные признаки, характеризующие пожары и состояния организма, комплексные и интегральные показатели, вычисляемые различными 46 способами, включая правила нечеткого ввода и т.д.); коэффициенты уверенности КУ по событиям и т.д. Основу МСГНРП составляет набор методов синтеза нечетких моделей, каждая из которых адаптирована на «свою» структуру данных, определяемую в ходе разведочного анализа [3, 22, 24, 35]. Основная группа используемых в работе методов и условия их применения представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Состав методов, используемых в МСГНРП № п/п Метод Назначение и условия применения 1 2 3 1 Разведочный анализ Исследование структуры многомерных данных, формирование рекомендаций по выбору формы и параметров ЧРП и способов их агрегации. 2 Нечеткий вывод с использованием нечетких операций ЧРП описываются операциями нечеткой логики Л. Заде. 3 Модификация итерационной формулы Е. Шортлифа Признаки ЧРП такие, что добавление каждого из них увеличивает уверенность в принимаемых решениях. 4 Нечеткая модификация модели А. Вальда Признаки представляются или приводят к шкалам порядка. Имеется обучающая выборка хотя бы среднего объема. 5 Нечеткие модификации разделяющих поверхностей и эталонов Существуют разделяющие гиперповерхности и (или) эталоны, относительно которых обеспечивается приемлемое качество классификации. 47 Продолжение таблицы 2.2 1 2 3 6 Нечеткая модификация метода группового учета аргументов Позволяет устанавливать аддитивные, мультипликативные, нелинейные и смешанные связи между признаками и откликами. 7 Нечеткая модификация теории измерения латентных переменных Позволяет устанавливать скрытые (латентные) связи между признаками и откликами и решать задачи оценки информативности в условиях неопределенности. 8 Агрегация частых решающих правил в промежуточные и финальные модели принятия решений Реализованы в виде алгоритма, объединяющего частные решающие правила по критерию минимума ошибок в принимаемых решениях. При недостаточной априорной информации о структуре исследуемых пожаров ведущую роль играет процесс обучения, в ходе которого на специальных стендах создаются различные варианты пожаров, регистрируемые различными типами датчиков и видеокамер. На этом этапе желательно иметь стендовое оборудование с максимально возможной комплектацией по датчикам и видеокамерам. В ходе обучения с использованием МСГНРП и (или) четких или нечетких НС оптимизируется пространство информативных признаков, а, следовательно, и состав первичных датчиков и камер, и синтезируются математические модели принятия решений, которые реализуются вычислительными средствами на 48 платформах, приближенных к источникам возгорания и (или) на рабочих местах операторов. Основным содержанием работы является разработка метода и моделей, позволяющих решать задачи распознавания пожаров, прогнозировать и оценивать пожарную обстановку и состояние людей, находящихся в зонах возгораний. Получаемые модели реализуются на подвижных и неподвижных платформах различного типа. При этом предполагается, что платформы располагаются на различных типах известных носителей, и что подвижные носители платформ снабжены средствами навигации, включая средства преодоления препятствий. Такая постановка обоснована тем, что промышленность в достаточном количестве уже выпускает различные типы наземных макророботов, БПЛА и другую необходимую технику. Например, в работах [52, 53, 86] приводится вариант простейшего устройства обнаружения возгораний на основе датчика СО, расположенного на борту летательного аппарата, выполненного по схеме «машущего крыла» с возможностью длительного планирования. Такая конструкция при подлете к месту видеонаблюдения не создает турбулентности, что позволяет достаточно точно контролировать анализируемый состав газов. В этих же работах описываются различные варианты схем полетов, включая алгоритм выхода из опасных ситуаций. В работе [48] описывается система мониторинга на базе аэростатов «Барс» и «Пума», на платформе которой расположены видеокамеры, работающие в наблюдаемом (видимом) и инфракрасном диапазонах. Дым регистрируется в видеослое, а тепловые аномалии в инфракрасном (тепловом) видеослое. В работах [61, 62, 63] описаны варианты спектрозальных сканирующих устройств, включающих видеокамеры, работающие в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, размещаемые на неподвижных и подвижных платформах, реализующих программируемые пути движения к пожару с обходом препятствий. Обнаружение пожаров осуществляется как на |