Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ подходов к обработке данных мониторинга в многоагентных системах поддержки принятия решений по управлению пожарной безопасностью организаций 11
1.1 Структура и функции управления пожарной безопасностью 11
1.2 Проблемы управления пожарной безопасностью электрических сетей 15
1.3 Анализ подходов к обработке данных мониторинга электрических сетей в многоагентных СППР 20
1.4 Сущность предлагаемого подхода 33
Выводы по разделу 36
2 Разработка метода получения и обработки данных мониторинга пожарной безопасности электрических сетей и модели агента мониторинга пос 38
2.1 Постановка задачи мониторинга пожарной безопасности электрических сетей в многоагентных системах 38
2.2 Анализ особенностей представления знаний агентов 42
2.3 Модель агента в MAC мониторинга ПОС электросети 51
Выводы по разделу 60
3 Структурная и функциональная организация mac анализа и управления риском пос электрических сетей 61
3.1 Требования к структуре MAC анализа и управления риском ПОС электрических сетей 61
3.2 Средства разработки MAC анализа и управления риском ПОС з электрических сетей
3.3 Последовательный алгоритм реализации МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей 77
3.4 Аппаратная реализация МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей 79
3.4.1 Выбор и обоснование рациональной совокупности датчиков для получения достоверной текущей информации о степени пожароопасности объектов электрических сетей. Функционально объектовые назначения датчиков 79
3.4.2 Синтез телекоммуникационной сети обмена данными в интеллектуальной системе управления процессами мониторинга и диагностики состояния пожароопасности электрических сетей 83
3.4.3 Разработка управляющего алгоритма работы МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей и ее рабочих алгоритмов.
Исследование возможности повышения производительности. 90
Выводы по разделу 110
4 Экспериментальное исследование технической эффективности функционирования мас анализа и управления риском пос электрических сетей 111
4.1 Функциональная и структурная схема действующего образца МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей 111
4.2 Выполнение экспериментальных работ с помощью МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей 121
4.3 Назначение и структура элементов программного обеспечения верхнего уровня системы 124
4.3.1 Подсистема получения данных 126
4.3.2 Подсистема интеллектуальной обработки данных 129
4.3.3 Подсистема управления нижним уровнем 140
4.3.4. Подсистема визуализации 142
4.4 Элементы программного обеспечения ИСУ нижнего уровня 143
4.4.1 Функциональное назначение и описание принципа работы 143
4.4.2 Протоколы обмена данными 148
4.4.3 Порядок настройки программы 150
4.5 Результаты экспериментального мониторинга пожароопасного состояния электрических сетей 153
Выводы по разделу 159
Заключение 161
Список использованных источников 1
- Проблемы управления пожарной безопасностью электрических сетей
- Анализ особенностей представления знаний агентов
- Последовательный алгоритм реализации МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей
- Выполнение экспериментальных работ с помощью МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей
Проблемы управления пожарной безопасностью электрических сетей
Как показывает историческая практика на всех этапах развития современной цивилизации пожары являлись неотъемлемой частью ее развития Можно сказать, что увеличение рисков возникновения пожара является своеобразной платой человечества за интенсивный технический прогресс в последние десятилетия. Необходимо заметить, что пожар это причина огромных потерь человеческих и материальных ресурсов, которые очень часто являются невосполнимыми. Однако, пока потери материальных ценностей в результате пожаров были несущественны с точки зрения государства и государственной системы управления, и они приходились в большей степени на физических лиц, государство не принимало активного участия в осуществлении действий, целью которых являлось обеспечение максимально возможной в рамках имеющихся средств пожарной безопасности. В качестве основных сил противодействия пожарам использовалось гражданское население и военные формирования, которые перебрасывались в зону чрезвычайной ситуации. Однако, в ходе поэтапного развития и совершенствования технического прогресса в обществе постепенно происходил сдвиг центра тяжести величины ущерба в результате пожаров от физических лиц и населения к государственным объектам, промышленным предприятия, фабрикам и.т.д. Такая тенденция привела к тому, что в рамках государственной системы управления возникла потребность в создании и совершенствовании регулярных формирований, основной задачей которых являлась обеспечение пожарной безопасности и пожарная охрана в первую очередь государственных объектов. В качестве примера можно привести такой исторический факт, постоянная угроза возникновения пожаров в
Адмиралтействе и во флоте побудили Петра I создать первую специализированную пожарную команду уже в 1722 году [69]. Дальнейшее развитие и совершенствование технического прогресса в целом и развития электроэнергетики в частности обусловило осознание того, что задачи обеспечения пожарной безопасности очень тесно коррелируются с задачами предупреждения и ликвидацией чрезвычайных ситуаций в электросетях, на линиях электропередач, на распределительных подстанциях и на других элементах электрических сетей разных уровней, поскольку основная часть чрезвычайных ситуаций в электросетях сопровождается возникновением и развитием пожароопасной ситуации вплоть до пожара. В итоге, пожарную безопасность электрических сетей и электрооборудования можно поставить на первое место при разработке комплексных систем обеспечении безопасности организаций.
В настоящее время действует принятая Указом Президента Российской Федерации от 10 января 2000 года № 24 Концепция национальной безопасности России в ней задекларированы основополагающие принципы и подходы к защиты населения России от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Вместе с принятием указанного постановления проблеме обеспечения пожарной безопасности обоснованно присвоен статус одной из важных государственных проблем, являющейся составной частью комплексного понятия национальной безопасности.
Согласно Закона РФ «О пожарной безопасности» [105] - пожарная безопасность определяется как состояние защищенности личности, имущества, общества и государства от пожаров. Система обеспечения пожарной безопасности - совокупность сил и средств, а также мер правового, организационного, экономического, социального и научно-технического характера, направленных на борьбу с пожарами. Обеспечение этой глобальной задачи возложено на систему пожарной безопасности, которая представляет собой комплекс организационных мероприятий и технических средств, направленных на предотвращение пожара и ущерба от него. Но известно, что организационные мероприятия могут проводиться только в рамках какой - то организационной структуры, призванной решать поставленную задачу. Основными элементами системы обеспечения пожарной безопасности являются:
Первоочередными задачами пожарной охраны в сфере обеспечения противопожарной безопасности населения являются: организация мероприятий по предупреждению возникновения пожаров и непосредственное тушение пожаров.
В Законе [105] определены основные функции системы обеспечения пожарной безопасности:
Одно из центральных мест в многоуровневой системе обеспечения пожарной безопасности занимает государственный пожарный надзор - это специальный вид государственной надзорной деятельности, осуществляемый должностными лицами органов управления и подразделений Государственной противопожарной службы в целях контроля за соблюдением требований пожарной безопасности и пресечения их нарушений
Анализ особенностей представления знаний агентов
Информационная система управления пожарной безопасностью электросетей должна способствовать решению задач, связанных с оценкой состояния электросети, с экономическими аспектами воздействия пожара и с управлением пожарной безопасностью: - хранение и возможность пополнения всей имеющейся информации о системе пожарной безопасности электросети; - идентификация источников возникновения пожароопасных ситуаций; - возможность прогнозирования изменения пожароопасного состояния электрической сети в целом и ее отдельных составляющих; - представление всей имеющейся информации в удобном для пользователя виде; - разработка рекомендаций и подходов к оптимальному управлению пожарной безопасностью электросети.
Традиционно исследования по созданию информационных систем обеспечения пожарной безопасности ориентировались на построение сети различных датчиков, которые независимо распределялись на территории контроля и были способны собирать информацию и передавать ее центральному устройству обработки, на основе работы которого оператором производились окончательные заключения о пожароопасном состоянии объекта.
Сложность современных электрических сетей, большое количество собираемой информации и географические масштабы явлений требуют мультидисциплинарных подходов и модульных решений для сбора, обработки данных и принятия решений. На наш взгляд, наилучшим образом поставленные задачи могут быть решены методами искусственного интеллекта, а именно применением методологии мультиагентных систем.
Мультиагентная система (MAC) - это развивающаяся информационная технология, основанная на понятии распределенного интеллекта как объединение отдельных интеллектуальных агентов, обладающих своими базами знаний и средствами рассуждений. То есть интеллектуальные агенты с конкретным набором свойств, в зависимости от целей разработки, индивидуально принимают подход или парадигму к решению какой - либо проблемы. Агент обладает набором таких свойств, как автономность, реактивность, активность и коммуникативность, которые наилучшим образом соответствуют необходимым условиям функционирования MAC. Структура MAC управления пожарной безопасностью электросети (МАСУПБЭС) (рис.2.3.1) реализуется через этапы непосредственного сбора информации, её анализа, идентификации ситуации и принятия решений для регулирования и эффективного управления.
Структура MAC управления пожарной безопасностью электросети Для формального определения многоагентной системы анализа и управления риском пожароопасной ситуацией (MAC анализа и управления риском ПОС) электросети представлена модель агента в виде семерки: MAS=(0; D; A; S; ACT; L; Р), (1) где О - онтология ПОС; D - перечень данных мониторинга ПОС; А=ґ(Аі,А2,Аз) - иерархия агентов различных типов; S - множество состояний внешней среды, описываемых ненаблюдаемыми и наблюдаемыми параметрами, в которой может находится MAC; АСТ={ acti, act2, ... , actk } - множество действий агентов; L - множество ограничений; Р - множество связей.
Иерархия агентов включает в себя следующие их типы: Ai - агент-супервизор, осуществляющий распознавание возникающих на объектах защиты пожароопасных ситуаций, A2={A2i,A22, Агт} - множество интеллектуальных агентов обработки наборов гибридных данных, Аз={Азі,Аз2, ... Азп} - множество интеллектуальных агентов получения исходных данных с датчиков мониторинга электросети.
Каждая цель определяет множество функций агента в МАС анализа и управления риском ПОС независимо от их внутренней структуры, а функционирование агента направлено на достижение поставленной цели.
В процессе достижения своих целей на действия агента - acti є ACT, в условиях изменяющейся среды - SeS, накладываются ограничения, которые представлены множеством уставок - L. Р - множество связей: P={Ps,Pi}, где Ps -множество связей системы с внешней средой, a Pi - множество базовых отношений между агентами (внутренних связей).
Аз - это интеллектуальный агент получения исходных данных с датчиков мониторинга электросети который выполняет функцию обратной связи, оценивая результаты мониторинга пожарной безопасности электросетей и эффективность предпринятых агентом - супервизором механизмов управления риском ПОС. Обладая базовыми знаниями об окружающей среде и возможностями «рассуждать», агент собирает информацию о наблюдаемых и ненаблюдаемых параметрах электросети, оценивает и анализирует сложившуюся пожароопасную ситуацию на выделенных ему объектах, определяет источники возникновения пожара и дает локальные оценки риска. Полученные исходные данные агент Аз агрегирует в гибридный набор, включающий наблюдаемые и ненаблюдаемые параметры электросети, который передается для последующей обработки (ранней диагностики) интеллектуальному агенту Аг, который осуществляет построение одного из типовых аналитических трендов исследуемых параметров следующих видов:
Последовательный алгоритм реализации МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей
Работа системы основывается на двух уровнях, верхнем уровне, уровне диспетчеризации и принятия решения и нижнем уровне, уровне хранения и обработки данных датчиков. На сервер возлагается роль получения данных от микроконтроллера путем его периодического опроса, контроль целостности и хранение полученных данных в базе данных (БД), обработка данных, их интеллектуальный анализ с помощью алгоритмов DataMining, построение прогнозов с использованием адаптивных методов прогнозирования временных рядов, а так же отправка оператору необходимых для контроля состояния пожаробезопасности и принятия управленческих решений подготовленных данных. На уровне диспетчеризации, верхнем уровне, программа Оператор выполняет роль визуализации и представления данных в форме, позволяющей оперативно контролировать состояние пожаробезопасности как всего объекта наблюдения, так и отдельных его частей, т.е. обеспечения человеко-машинного взаимодействия с MAC, а также принятие управленческого решения на основе представленных данных и/или полученных результатов анализа данных.
Для повышения эффективности визуального контроля за состоянием пожароопасности системы используется специально разработанное визуальное представление. Наличие большого числа датчиков, размер контролируемого объекта часто не позволяет полностью отразить состояние датчиков. Это снижает эффективность и оперативность работы оператора, принимающего управленческое решение. Для повышения плотности представляемых данных в разрабатываемой системе используется вложенное увеличение, как средство представления изображения со сверх высоким разрешением. Исходное визуальное представление разбивается на логические блоки, которые представлены на верхнем уровне как один блок, а на нижнем как совокупность помещений/датчиков в зависимости от уровня представления. Схематично работа алгоритма представления показана на рисунке 3.21
Алгоритм визуализации, представленный выше позволяет в основном управляющем алгоритме работы ИСУ разделить данные на логические блоки и выполнять отправку данных, необходимых на данном уровне визуализации, что существенно снижает объем передаваемых данных и повышает быстродействие системы.
Микроконтроллер производит опрос датчиков и отправку данных серверу ИСУ, а также обработку управляющего воздействия от сервера, которое в свою очередь может инициировать оператор.
Для экспериментальной проверки полученных в работе результатов была создана экспериментальная установка на базе АПК «Контроль-1» и ПЭВМ, эмулирующей мобильный диспетчерский пункт.
При получении данных от микроконтроллера производится форматно логический контроль полученных данных, если данные корректные, то они сохраняются в БД. В случае получения некорректных данных производится информирование оператора о полученной ошибке. Работа алгоритма не прекращается. При запросе данных из БД производится проверка корректности запроса и его выполнение. Полученные данные обрабатываются, при необходимости производится их сортировка. После этого данные сжимаются с помощью алгоритмов сжатия, производится расчет контрольной суммы и формирование пакета для отправки оператору. Контроль суммы возлагается на сторону оператора. В случае ошибок при передаче данных оператор запрашивает повторную передачу данных.
При обработке данных для формирования прогноза производится запрос данных из БД. Полученные данные анализируются и происходит формирование посылки для оператора, результаты сжимаются с помощью алгоритмов сжатия и производится расчет контрольной суммы.
Использование алгоритмов сжатия без потерь позволяет снизить нагрузку на каналы связи, использующиеся для работы ИСУ, и повысить оперативность обмена данными при контроле состояния пожаробезопасности объекта.
На основе заданных критериев решено использовать для малых объемов данных алгоритм сортировки вставками, для существенных объемов данных быструю сортировку, как наиболее полно соответствующие поставленным задачам. Между тем, решено внести некоторые изменения в алгоритмы, изменяющие отдельные свойства, касающиеся емкостной сложности, так в модифицированном алгоритме быстрой сортировки отсутствует рекурсия.
Быстрая сортировка используется для сортировки больших объемов данных. Является одной из наиболее быстродействующих алгоритмов сортировки. В наихудшем случае временная сложность алгоритма составляет О (п lg п). О (п2), в среднем О (п lg п)
Выполнение экспериментальных работ с помощью МАС анализа и управления риском ПОС электрических сетей
Программное обеспечение нижнего уровня (ПОНУ) разработано для контроллера ADAM-5510 с операционной системой ROM-DOS. Для функционирования программы никаких дополнительных библиотек не требуется.
Программа написана на языке высокого уровня C++, с помощью процедурных методов программирования, используя стандартные библиотеки, поставляемые производителем контроллера.
ПОНУ с периодичностью в 1 секунду опрашивает аналоговые, дискретные и цифровые входы контроллера, и через определенный промежуток времени отсылает полученные значения на сервер в базу данных верхнего уровня. С целью снижения загрузки канала связи и экономии затрат на связь, на сервер передаются не текущие, а средние значения параметров за промежуток времени, задаваемый при настройке программы. Это позволяет корректно оценить динамику изменения параметров без существенной потери информативности. В случае выхода значения измеренного параметра за пределы нормы на сервер передается не среднее, а текущее аварийное значение, и через дискретные выходы котроллера подается сигнал на исполнительное устройство (реле), которое отключает аварийный канал измерения. Данный канал измерения остается выключенным до тех пор, пока от ПО верхнего уровня не придет команда на включение.
В ПОНУ в качестве основного канала связи используется LAN-сеть. В случае недоступности основного канала связи, система автоматически переходит на резервный канал связи, роль которого выполняет GPRS-модем. При настройке системы, с целью увеличения быстродействия, возможно отключить канал связи, который не планируется использовать. Обмен данным между ПОНУ и модемом реализован посредством АТ-команд.
В качестве программного интерфейса для обеспечения обмена данными между ПОНУ и сервером используются сокеты. На ПОНУ реализован клиентский сокет, то есть инициатором установки соединения, и передачи данных выступает ПОНУ. После передачи данных ПОНУ ожидает ответ от сервера, который проверяет полученные данные на достоверность (в соответствии с протоколом обмена данными), если ответ от сервера не получен, отправка данных повторяется.
Так как инициатором соединения является ПОНУ, то для получения команд от сервера, оно периодически (раз в 10 секунд), проверяет наличие новых команд. К этим командам относятся: включение/отключение каналов измерения и изменение аварийных пределов значений параметров. Все настройки необходимые для работы программы хранятся в энергонезависимой памяти контроллера в специальном файле. Согласно общему алгоритму в работе программы используется внутренний таймер контроллера, с помощью которого отслеживается два периода времени: - период, через который на сервер отсылаются средние значения измеряемых параметров (переменная Pool), он равен по умолчанию 30 секунд; - период, через который на сервер отсылаются запросы о состоянии каналов измерения (вкл/выкл) и аварийных значениях (уставок) измеряемых параметров (переменная Set), он равен по умолчанию 10 секунд.
Таким образом, в бесконечном цикле работы программы происходит последовательное измерение входных параметров (температуры, задымленности, силы тока) и отслеживание двух периодов времени. Также после измерения входных параметров, они проверяются на выход их значений за пределы нормы (уставок). Если параметр выходит за пределы нормы, то на сервер отсылается текущее значение аварийного параметра и ПОНУ отключает канал измерения с целью предотвращения аварийной ситуации. Канал измерения остается выключенным до тех пор, пока от сервера не придет команда о включении.,
При получении от сервера новой информации о состоянии каналов измерения или о значениях уставок, она проверяется и новые данные перезаписываются в файл настроек.
На рисунках 4.20 и 4.21 показаны общий алгоритм работы и алгоритм процедуры опроса входных параметров. Согласно этому алгоритму последовательно опрашивается каждый канал измерения. В состав канала измерения входит датчик температуры электропроводки, датчик дыма и цифровой измеритель силы тока. Если какой либо параметр (температура, сила тока, задымленность) выходит за пределы нормы, то канал измерения отключается и исключается из опроса. Аварийные значения параметров сохраняется в специальный массив данных и передаются в основной код программы, откуда они отсылаются на сервер.
