Библиографическое описание:

Лапковский Р. Ю. Причинно-следственный подход для анализа безопасности сложных систем [Текст] // Технические науки: теория и практика: материалы междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2012. — С. 127-130.

Введение
Проблема безопасности является одной из наиболее острых проблем практически во всех отраслях деятельности человека. Однако наиболее сложными являются задачи анализа безопасности в сложных системах, таких как транспорт, производственные предприятия, электростанции и другие крупные образования со сложной структурой, разнородным составом и ключевой ролью человека на всех этапах функционирования системы.
Сложность задач анализа безопасности и значительное число аварий от крупных катастроф до небольших поломок обуславливают актуальность разработки подходов к исследованию безопасности и методов ее повышения за счет преждевременного прогнозирования аварийных ситуаций, выработке мероприятий по их предотвращению, поиску истинных причин уже произошедших и др.
Фактор безопасности в сложных системах
Особенности сложных систем делают достаточно затруднительным их исследование, особенно с точки зрения безопасности. Современные модели и методы исследования сложных систем ориентированы на какую-то одну составляющую системы, а не на всю систему в целом. В то время как большинство аварийных и нештатных ситуаций возникают именно при одновременном стечении множества обстоятельств различной природы. Найти причины таких аварий возможно только рассматривая все составляющие в рамках единой системы. Особенно важным является человеческое звено, которое существенным образом влияет на исход ситуации [1, 2].
Это обуславливает необходимость разработки моделей, охватывающих все компоненты системы, включая человеческий фактор. Построение таких моделей требует применения подходов, основывающихся на достаточно общих понятиях, которые позволят связать между собой большое количество разнородных составляющих системы. Одним из таких подходов является причинно-следственный подход, основанный на применении причинно-следственных комплексов (ПСК) [1].
Причинно-следственные комплексы
Построение модели системы предлагается выполнять, основываясь на подходе с применением ПСК. Структура комплекса строится на основе декомпозиции исследуемой системы и представляет собой структуру связанных между собой причинно-следственных звеньев (ПСЗ) (рис. 1), отражающих необходимые причинно-следственные зависимости.
Каждое звено представляется группой причины (причина и условие), группой следствия (следствие и изменившиеся условия) и ядром. Ядро описывает соответствующую причинно-следственную зависимость, формируя группу следствия по заданной группе причины [1]. При этом задаваться ядро может произвольным способом: формулой, уравнением, алгоритмом, нейронной сетью и др.
Теория ПСК также дает отправную точку для основных принципов декомпозиции, выделяя в сложной системе шесть основных классов ее компонентов: командно-информационный (график, инструкция, правило, распоряжение и т.п.), человеческое звено (исполнители, специалисты, водители, операторы и т.п.), оборудование (станки, приборы, автомобили и т.п.), энергообеспечение (топливо, электроэнергия и т.п.), материалы (сырье, комплектующие, грузы и т.п.), внешние условия (погода, климат, дорожные условия и т.п.). На основе этих шести базовых компонентов, путем их всевозможных комбинаций, могут получаться новые, обладающие новыми характеристиками и свойствами.
Трудности приложения теории причинно-следственных комплексов
Подход с использованием ПСК позволяет решить ряд задач декомпозиции и построения моделей сложных систем. Однако он описывает лишь общую структуру системы и статические причинно-следственные зависимости в цепочке событий во времени, не предоставляя формального аппарата для построения полной модели и ее реализации с помощью вычислительной техники.
При реализации моделей ПСК на ЭВМ возникает ряд трудностей, не позволяющих использовать рассматриваемый подход с достаточной эффективностью. Заметим, что трудности носят острый характер именно на этапе реализации.
Первая трудность при построении ПСК сложных систем возникает, когда необходимо описать обратную связь между компонентами системы. Обратная связь присутствует практически повсеместно, однако ее описание требует циклических конструкций в ПСК, что недопустимо. Дело в том, что модель ПСК статична, при поступлении сигнала на входные терминалы комплекса появляются соответствующие сигналы на всех внутренних и выходных терминалах. Таким образом, обратная связь может образовать противоречие между сигналом прямой и обратной связей. Поэтому применение обратных связей требует каких-либо надстроек над классической теорией ПСК. Одним из наиболее частых применений обратной связи является описание циклических операций.
Другая трудность заключается в том, что даже сравнительно небольшие системы имеют огромное число возможных состояний, что влечет за собой значительно число разнотипных элементов групп причины и следствия. На практике представление всего этого многообразия различных свойств и состояний с помощью подмножества множества всех возможных состояний является очень громоздким решением. Необходимо составить множество всех возможных состояний всех элементов системы и всех их комбинаций. Для сложных систем эта задача практически не выполнима, а обработка информации ядрами в таком виде очень затруднительна.
Причинно-следственная сеть
Для решения ряда проблем, возникающих при построении и реализации моделей сложных систем с применением ПСК, предлагается использовать причинно-следственный подход с использованием причинно-следственной сети (ПСС). При этом сохраняется основная идея, элементы и понятия теории ПСК, однако вносится ряд усовершенствований в принципы взаимодействия звеньев.
Причинно-следственная сеть представляется тройкой , где
– множество ПСЗ; – множество связей между звеньями;
– множество классов элементарных событий.
Звенья ПСС имеют такую же структуру, как и звенья ПСК – представляется двумя терминалами группы причины, двумя терминалами группы следствия и ядром, описывающим связь между ними.
Каждая связь из множества задается тройкой , где – начальное звено (из которого исходит связь); – конечное звено (к которому заходит связь); – атрибут, определяющий участвующие в связи терминалы на звеньях . – из терминала следствия в терминал причины; – из терминала следствия в терминал условия 1; – из терминала условия 2 в терминал причины; – из терминала условия 2 в терминал условия 1.
Каждый элемент множества классов элементарных событий описываются рядом атрибутов, описывающих индивидуальные характеристики данного класса событий, а также областью допустимых значений, которые могут принимать атрибуты. Конкретные элементарные события (с заданными значениями атрибутов) являются основными единицами взаимодействия между звеньями ПСС.
Структура ПСС может быть представлена графически в виде графа, отражающего структуру звеньев и связей между ними (рис. 2). При использовании ПСК набор данных в терминалах группы причины ПСЗ может быть трактован как сигнал, сформированный другими звеньями или переданный как входной с внешних терминалов ПСК. Этот сигнал не изменяется во времени до тех пор, пока не изменится входной сигнал ПСК. После подачи данных на входные терминалы ПСС данные в терминалах звеньев непостоянны и могут неоднократно изменяются на протяжении всего времени работы сети. Это позволяет снять ограничение на применение обратной связи в структуре сети.
Рассмотрим подробнее принцип организации взаимодействия между звеньями в ПСС. В сложных системах каждую секунду происходит огромное число разнообразных событий. Каждое из них формируется одним объектом системы и оказывает влияние ряд других объектов, изменяя их состояние и заставляя самим генерировать новые события. При построении модели реальной системы учесть все события невозможно, поэтому выделяется ряд наиболее важных и значимых из них с точки зрения задачи. Выделенные элементарные события представляют собой основную рабочую единицу ПСС. Множество всевозможных элементарных событий удобно разбить на классы, группирующие их по схожести природы и структуры, выраженные атрибутами события.
Звенья в ПСС отражают те или иные объекты описываемой системы, а связи между звеньями отражают характер взаимосвязи между этими объектами. Таким образом, ПСЗ описывают поведение соответствующих объектов, изменяя их состояние и формируя новые элементарные события в ответ на поступившие к ним от других звеньев. Функционирование звена можно описать выражением: , где , – поступившие события (события-причины), – новые события (события-следствия).
Функционирование звена ПСС можно представить следующими этапами.
1. Поступление элементарных событий в терминалы группы причины, при этом они формируют очередь по мере поступления.
2. Анализ накопленных событий. Если в группе причины находятся необходимые для формирования следствия события, то срабатывает заложенный в ядре механизм. На терминалах группы следствия формируется новые события, которые, в соответствии со связями, передаются другим звеньям.
3. Звено переходит в режим приема и накопления событий.
Заключение
Предложенный подход с применением ПСС основан на теории ПСК, которая дает эффективную базу для системного анализа сложных систем, исследования ее структуры и сложного разнородного состава, а также для объединения разнородных моделей компонентов в рамках единой системы. Применение ПСС предоставляет механизмы формализации моделей компонентов системы и связей между ними с помощью вычислительной техники. Общность подхода и возможность объединить в рамках единой модели разнородные компоненты системы позволяют выполнять анализ безопасности, осуществлять поиск причин аварийных ситуаций, прогнозировать их и др.
На основе рассмотренного подхода реализован программный комплекс по моделированию развития дорожной обстановки в штатном и аварийном режимах, а также предложен основанный на данной модели метод поиска причин дорожно-транспортных происшествий. Также имеются основанные на теории ПСК работы по анализу и повышению безопасности авиационного транспорта, оптимизации работы сети заправочных станций, стекольного и цементного производств [2, 3, 4].

Литература:
1. Резчиков А.Ф., Твердохлебов В.А. Причинно-следственные модели производственных систем. – Саратов: Издательский центр «Наука», 2008. – 137 с.
2. Иванов А.С., Лапковский Р.Ю., Уков Д.А., Филимонюк Л.Ю. Причинно-следственный подход к расследованию аварийных ситуаций в человеко-машинных системах // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2012. № 2. – С. 38-43.
3. Лапковский Р.Ю., Иванов А.С., Иващенко В.А. Причинно-следственный подход к моделированию движения на сложных участках дорожно-транспортной сети // Управление большими системами. Выпуск 35. – М.: ИПУ РАН. 2011. – С. 283-303.
4. Иванов А.С., Лапковский Р.Ю., Уков Д.А., Филимонюк Л.Ю. Кибернетический подход к моделированию разнородных процессов в мехатронных системах // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2011. № 1. – С. 16-20.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle