О возможности использования нейросетей при организации работ по устранению последствий чрезвычайных ситуаций

Аннотация

Д.А. Зверев, А.П. Зверев

В статье рассматривается использование нейросетей для устранения последствий чрезвычайных ситуаций.
Ключевые слова: чрезвычайные ситуации, транспортная задача, нейросети, обучение нейросетей.

Ключевые слова:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

С развитием цивилизации, применением все новых технологий, проведением различных исследований, постоянно возрастает угроза техногенных катастроф. На территории страны увеличивается  количество складов с запасами горючих, взрывчатых, сильнодействующих ядовитых и других веществ. Кроме того, имеется огромная численность запасов  химических и бактериологических веществ. Все эти запасы долгое время хранятся и довольно незначительное их количество утилизируется, а хранилища нередко находятся в аварийном состоянии. Износ оборудования часто превышает допустимые нормативы: так, например, отслужили свой срок на данный момент примерно 40% трубопроводов для перекачки газа и нефти. Зоной повышенной опасности являются транспортные коммуникации, объекты электроэнергетики.
Согласно статистики в опасных зонах проживает 30% населения, в чрезвычайно опасных – 10%. В условиях низкой технологической дисциплины, хронической нехватки финансовых и материальных ресурсов для поддержания основных фондов в рабочем состоянии, возрастает вероятность массовых аварий, техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций. Все чрезвычайные ситуации можно подразделить на локальные, местные, территориальные, региональные, федеральные и трансграничные. Критериями подобной классификации чрезвычайных ситуаций являются: численность пострадавшего населения, размер материального ущерба, а так же границы зон распространения поражающих факторов. В результате многочисленных терактов, совершаемых на территории нашей страны, техногенных аварий и природных катаклизмов гибнет большое число людей.  
Наибольшую опасность для человека представляют факторы, которые могут вызвать его гибель в результате различных агрессивных воздействий — это различные физические, химические, биологические факторы, высокие и низкие температуры, ионизирующие (радиоактивные) излучения. Все они требуют различных способов защиты человека и группы людей, т.е. индивидуальных и коллективных способов защиты к которым можно отнести: стремление человека удалиться за пределы действия поражающих факторов (убежать от опасности, защититься экраном и т.д ).
Проведем анализ катастроф на протяжении последних трех лет и покажем количество привлекаемого личного состава и техники:  [1]

Сведения о чрезвычайных ситуациях, происшедших на территории Российской Федерации в 2010 году

   Данные таблицы свидетельствуют, что количество пострадавших и погибших людей значительно больше, чем спасенных примерно на 38 %.
При этом к спасению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, происшествий и других аварий от МЧС России привлекалось около 2,2 – млн. человек и более 800 тысяч единиц техники.
Статистические данные о чрезвычайных ситуациях, прошедших на территории Российской Федерации  в 2009 году

   Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что количество пострадавших и погибших людей в 2009 году было значительно больше, чем спасенных примерно на 25 %. [1]
При этом к спасению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, техногенных пожаров, происшествий на воде и в дорожно-транспортных происшествиях  от МЧС  России привлекалось около 2 – млн. человек и более 600 тысяч единиц техники.

Статистика чрезвычайных ситуаций прошедших на территории Российской Федерации за 2008 г.

   Таким образом, количество пострадавших и погибших людей в 2008 году значительно больше, чем спасенных примерно на 60%.  В 2008 году для устранения последствий аварий и катастроф привлекалось около 1,6 млн. человек и более 500 тыс. различной техники. [1]
Анализ статистики чрезвычайных ситуаций в России за последние три года позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на то, что  число чрезвычайных ситуаций уменьшается, количество пострадавших погибших в них граждан остается довольно высоким.
Каковы пути уменьшения гибели людей, попавших, в различного рода катастрофы? Одним из наиболее важных является прибытие сил спасения, а именно расчетов МЧС  с минимальными временными затратами.
При этом необходимо отметить, что расчеты должны включать в себя не только людские ресурсы, но и технику. Как правило, силы и средства спасателей привлекаются из близлежащих городов и областей. В связи с этим центру по ликвидации последствий катастроф необходимо будет рассчитывать как время прибытия расчетов, так и перераспределение их в связи со складывающейся обстановкой. Таким образом, одним из первоочередных  вопросов будет  решение транспортной задачи  или задачи коммивояжера.
Постановка задачи следующая. Коммивояжер или продавец чего – либо должен выйти из первого города, единожды посетить в неизвестном порядке города 2,1,3..n и вернуться в первый город.  Расстояния между городами известны. В каком порядке следует обходить города, чтобы замкнутый путь (тур) коммивояжера был кратчайшим?[2]
Чтобы привести задачу к научному виду, введем некоторые термины. И так, города пронумерованы числами j(Т)= (1,2,3..n). Тур коммивояжера может быть описан циклической перестановкой t=(j1,j2,..,jn,j1), причем все j1..jn – разные номера; повторяющийся в начале и в конце j1, показывает, что перестановка зациклена. Расстояния между парами вершин Сij образуют матрицу С. Задача состоит в том, чтобы найти такой тур t, чтобы минимизировать функционал.
Относительно математизированной формулировки задачи коммивояжера уместно сказать о следующих двух замечаниях.
Во-первых, в постановке Сij означали расстояния, поэтому они должны быть неотрицательными, т.е. для всех j(Т):
|Сij(0); Cjj=?  (2)
(последнее равенство означает запрет на петли в туре), симметричными, т.е. для всех i,j: |Сij= Сji. |   (3)
и удовлетворять неравенству треугольника, т.е. для всех:
|Сij+ Сjk(Cik    (4)
В математической постановке говорится о произвольной матрице. Сделано это потому, что имеется много прикладных задач, которые описываются основной моделью, но всем условиям (2)-(4) не удовлетворяют. Особенно часто нарушается условие (3) (например, если Сij – не расстояние, а плата за проезд: часто туда билет стоит одну цену, а обратно – другую). Поэтому различают два варианта ЗК: симметричную задачу, когда условие (3) выполнено, и несимметричную – в противном случае. Условия (2)-(4) по умолчанию принято считать выполненными.
Второе замечание касается числа всех возможных туров. В несимметричной  задаче коммивояжера все туры t=(j1,j2,..,jn,j1) и t’=(j1,jn,..,j2,j1) имеют разную длину и должны учитываться оба. Разных туров очевидно (n-1)!.
Зафиксируем на первом и последнем месте в циклической перестановке номер j1, а оставшиеся n-1 номеров переставим всеми (n-1)! возможными способами.  В результате получим все несимметричные туры. Симметричных туров имеется в два раз меньше, т.к. каждый засчитан два раза: как t и как t’.
Можно представить, что С состоит только из единиц и нулей. Тогда С можно интерпретировать, как граф, где ребро (i,j) проведено, если Сij=0 и не проведено, если Сij=1. Тогда, если существует тур длины 0, то он пройдёт по циклу, который включает все вершины по одному разу. Такой цикл называется гамильтоновым циклом. Незамкнутый гамильтонов цикл называется гамильтоновой цепью (гамильтоновым путем).
В терминах теории графов симметричную задачу коммивояжера можно сформулировать так: дана полная сеть с n вершинами, длина ребра (i,j)= Сij. Найти гамильтонов цикл минимальной длины.
В несимметричной задаче коммивояжера вместо «цикл» как правило говорят  «контур», а вместо «ребра» - «дуги» или «стрелки».
Некоторые прикладные задачи формулируются как задачи коммивояжера, но в них нужно минимизировать длину не гамильтонова цикла, а гамильтоновой цепи. Такие задачи называются незамкнутыми.
Однако, в нашем случае при возникновении кризисных ситуаций или происшествий, необходимо как можно быстрее прибыть в район происшествия, а, следовательно, приходится несколько видоизменять задачу коммивояжера, то есть путь в этом случае будет незамкнутый. Как ранее отмечалось, у службы МЧС имеется определенный ресурс, а именно – конечное количество людей и техники. При этом важно учитывать ситуацию, когда некоторая, часть людей и техники, уже находится или вблизи чрезвычайной ситуации или рядом с ней. Они и будут первыми, кто прибудет в зону происшествия. А выездные бригады, находящиеся в отдаленных местах территорий с учетом предложенной методики расчета должны будут не только изменить маршрут подъезда к опасной зоне, но и перераспределить имеющийся у них ресурс. При этом необходимо отметить, что ресурс этот должен перераспределяться с учетом складывающейся обстановки в зоне чрезвычайной ситуации.[3] 
Таким образом, на первый план выходит задача перераспределения ресурсов, как людских, так и техники.  Необходимо так же отметить, что изменение ситуации  в любой момент, повлияет и на изменение параметров распределения сил и средств. Наиболее благоприятно, если  в штабе по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций имеется  программа, способная решать измененную транспортную задачу.
Однако, как показывает практика, не всегда в штабах по ликвидации чрезвычайных ситуаций имеется подобного рода программы, как правило, решение штабом принимается исходя из обстановки, при этом расчеты практически все проводятся  в большинстве случаев полуавтоматически.
В связи с этим одним из способов решения данной задачи может стать использование управляемых нейросетей. [4]
Известно, что любая нейросеть это математическая модель, представляющая собой систему соединённых и взаимодействующих между собой нейронов, при прохождении импульса изменяется и состояние нейронов. Одной из важнейших особенностей нейросети является её способность к обучению, при этом выделяют три типа обучения: с учителем, самообучение и смешанный. В первом способе известны правильные ответы к каждому входному примеру, а веса подстраиваются так, чтобы минимизировать ошибку. Обучение без учителя позволяет распределить образцы по категориям за счет раскрытия внутренней структуры и природы данных, выходы нейросети  формируются самостоятельно, а веса изменяются по алгоритму, учитывающему только входные и производные от них сигналы. При смешанном обучении комбинируются два вышеизложенных подхода. На основе ранее сказанного целесообразно использовать смешанный подход.[4] Следующим этапом после выбранной нейросети  следует осуществить процесс обучения данной сети, на основе предложенных ранее способов. Задача обучения нейроновой сети будет состоять в том, чтобы осуществить поиск минимума функции ошибки в общем количестве всевозможных ситуаций, в нашем случае это не допустить ошибки как при определении маршрута движения к чрезвычайной зоне, так и   при рассмотрении процесса устранения ситуаций в зоне происшествий. Поскольку нейросети обладают способностью к обучению, то появляется реальная возможность их использования для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. [5]
Следовательно, применение нейросетей обладающих возможностью обучения, позволит их использовать в штабах по предотвращению чрезвычайных ситуаций, а значит наиболее качественно решить задачу, как оптимизации прибытия людских ресурсов, так и техники, а также их перераспределения в очаге происшествия. Так как задачей любого алгоритма оптимизации является нахождение такого решения, которое удовлетворяет системе ограничений в подобного рода случаях, мы получим  минимальную  целевую функцию.

Список литературы:
1. Статистика чрезвычайных ситуаций: по данным МЧС России  за 2008- 2010 годы  www/mchs. Gov. ru/upload/iblock/509/30162.
2.. Новиков, Ф.А. Дискретная математика для программистов. – СПб,Питер.: - 2001
3. Касаткин, А.И. Управление ресурсами. – Минск.: Высшая школа -1992.
4.Ф. Уоссермен «Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика». Перевод на русский язык Ю. А. Зуев, В. А. Точенов, 1992. 245С.
5. Куссуль,Э.М. Ассоциативные нейроподобные структуры -Киев, Наукова думка, 1990.:- 276 С.