Інформаційні технології підтримки прийняття рішень при виникненні небезпечного радіаційного забруднення місцевості

Abstract

Нагорний Є.І. Інформаційні технології підтримки прийняття рішень при виникненні небезпечного радіаційного забруднення місцевості. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп'ютерні науки» – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національна академія наук України, Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена розробленню моделей та методів рекомендаційної підтримки прийняття рішень для збору і обробки інформації при виникненні радіаційного забруднення місцевості з метою контролю екологічної безпеки території. У дисертаційній роботі вирішено наукове завдання, підвищення достовірності інформаційної та функціональної безпеки радіаційного забруднення місцевості, на основі використання мобільних комплексів геоінформаційних та аерокосмічних технологій. У дисертаційній роботі poзв'язaна актуальна науково-прикладна задача розроблення теоретичних і прикладних засад побудови інформаційних технологій прийняття рішень при виникненні радіаційного забруднення місцевості, в якій джерелом впливу є техногенні або військові небезпеки. У вступі обґрунтовано актуальність теми, розглянуто зв'язок роботи з науковими темами та актуальним напрямком наукових досліджень, сформульовані мета та завдання дослідження, розкрито наукову новизну та практичну цінність. У першому розділі проведено аналіз існуючого стану методики виявлення радіоактивного забруднення місцевості, огляд моделей, методів та підходів, що використовуються при розробленні інформаційних технологій рекомендаційної підтримки рішень. Виконано загальний огляд рекомендаційних систем та їх видів, включаючи задачі виявлення фактичної радіаційної обстановки в автоматизованих системах контролю за нею. На цій основі запропоновано необхідну щільність точок контролю радіаційної обстановки, що заслуговує окремого розгляду та поглибленого дослідження, що базуються на використанні модельних уявлень про формування радіоактивного сліду ядерного вибуху, радіаційних аварій, або техногенних катастроф. Це дозволило запропонувати принципи формування нових підходів, щодо створення моделей, рекомендаційних механізмів та їх алгоритмізацію. У другому розділі проведено дослідження оцінки послідовної параметричної адаптації моделі радіоактивного забруднення місцевості за даними радіаційної розвідки, а також розроблення алгоритмів обробки даних радіаційного забруднення місцевості в умовах недостатньої повноти вихідних даних. Вирішення цієї задачі засновані на ідеї виділення з малих вибірок вимірювань потужності дози випромінювання, за певних умов, так званої, структурної інформації про поле радіоактивного забруднення місцевості. Запропонований в роботі збільшений алгоритм послідовної параметричної адаптації прогностичної моделі показав принципову можливість формалізації цього процесу при радіаційному забрудненні місцевості від ядерних вибухів. Для підвищення достовірності прогнозу радіаційного забруднення місцевості побудовано функціональну блок-схему адаптивної системи ідентифікації образів. Ця система є стійкою по відношенню до перешкод, здатна впоратися з істотними відхиленнями розпізнаваних об'єктів і має здатність до самоналаштування, тобто вирішити завдання адаптації. Проведено уточнення параметрів осередків радіаційного забруднення по виміряних значеннях уражаючих факторів ядерного вибуху (надмірний тиск ударної хвилі, світловий імпульс, проникаюча радіація і потужність дози випромінювання). Аналіз показав, що точність визначення параметрів осередків радіаційного забруднення залежать від точності виміру вражаючих факторів, кількості точок їх виміру і виду уражаючого фактора. Так, при оцінці по одному фактору, виміряному в 15 різних точках, середньоквадратична похибка може досягати 34%. А для збільшення точності розрахунків потрібно буде збільшити час програмованого рішення задачі в декілька тисяч разів. Методика послідовної параметричної адаптації передбачає як налаштування на наявну початкову інформацію, так і уточнення моделі радіаційного забрудненя і місцевості по ходу надходження даних радіаційної розвідки. Запропонована у роботі методика екстраполяції потужності дози випромінювання в часі для систем автоматизованого контролю радіаційної обстановки дозволяє прогнозувати зміну характеристик поля радіоактивного забруднення місцевості на основі аналізу даних, отриманих від системи радіаційного спостереження. У третьому розділі роботи розроблене спеціальне програмне забезпечення призначене для виявлення фактичного радіаційного забруднення місцевості за даними радіаційної розвідки і моніторингу, наведені розроблені моделі надання рекомендацій за допомогою правил комп'ютерної логіки. В ході роботи спеціального програмного забезпечення використовуються вихідні дані про метеоінформацію, зведення про осередки радіаційного забруднення і деяку іншу інформацію. Якщо поле радіаційного забруднення істотно відрізняється від модельного і адаптація моделі не привела до позитивних результатів, здійснюється виявлення фактичного забруднення за даними радіаційної розвідки методом лінійної оптимальної інтерполяції. Дослідження показали, що знайдені значення початкових даних параметризованої моделі повинні бути скориговані. Ця необхідність викликана тим, що використані методи адаптації мають певну похибку. Так, при визначенні координат джерела радіаційного забруднення місцевості помилка залежить від величини кроку сітки цифрованого зображення поля потужність дози випромінювання, який у свою чергу є функцією щільності точок розвідки, а точність визначення напрямку осі сліду не може бути вищою, ніж кутова апертура сканування методу аналізу сцен. У випадку, коли не вдалося адаптувати модель за даними радіаційного розвідування, всі подальші обчислення та розрахунки, пов'язані з оцінкою радіаційного забруднення місцевості, будуть здійснюватися на основі цифрованого зображення, як однорідного, ізотропного поля, що має ергодичні ( транзитні)властивості. Для виділення по цифровому зображенню областей випадкового процесу, що мають стаціонарність, керуватимемося двома правилами: похідна по напряму не повинна змінювати свій знак у будь-якому перерізі області поля; характер зміни градієнта в локально-однорідній області поля потужності дози випромінювання має бути плавним. Використовуючи математичні моделі поля радіаційного забруднення місцевості , засновані на аналізі тимчасових рядів прогнозуємо радіаційну обстановку за даними радіаційного спостереження і розвідки, і цей метод застосовний не лише для полів, близьких до модельних, але і для структур із складною топологією. Для перевірки працездатності методики послідовної параметричної адаптації моделі радіаційного забруднення місцевості даними радіаційної розвідки був створений програмний модуль, який дозволяє проводити адаптацію моделей при низькій щільності даних радіаційної розвідки. Такі ситуації можливі у момент початку збору даних про фактичний радіаційний фон, зокрема, коли інформація поступила лише з пунктів управління, а підрозділи радіаційної розвідки тільки приступили до ведення розвідки. Метод послідовної параметричної адаптації моделі радіаційного забруднення місцевості за даними радіаційної розвідки дає можливість у ряді випадків уточнювати прогноз небезпечного радіоактивного забруднення і може бути використаний в цілях виявлення радіаційної обстановки. Методика, розроблена на його основі, дозволяє у декілька разів (до 3-х і більше) зменшити похибку відновлення потужності дози випромінювання. Вона може застосовуватися при щільності точок контролю значно нижче нормативних (до 0,02 км-2). Результати моделювання радіаційної обстановки показують, що частота появи ситуацій, коли адаптація можлива, складають близько 60% Реалізація запропонованого підходу дозволяє підвищити оперативність виявлення фактичного радіоактивного забруднення місцевості за даними розвідки в декілька сотень разів в порівнянні з рішенням завдань вручну і, як мінімум, в 5-7 разів - в існуючих автоматизованих системах. У четвертому розділі роботи запропоновано шляхи удосконалення інформаційних технологій підтримки прийняття рішень при виникненні радіаційного зараження. Результати проведеного дослідження дозволили: по-перше, виявити слабкі місця в функціонуванні інформаційної технології підтримки прийняття рішень; по-друге, визначити шляхи підвищення ефективності функціонування інформаційних технологій на підставі нових організаційно-технічних принципів, до яких необхідно віднести: - удосконалення технічної бази органів управління щодо збору, обробки та обміну інформацією про радіаційну обстановку; - автоматизацію роботи органу управління щодо збору, обробки та обміну інформацією про радіаційну обстановку. Для оперативного та якісного вирішення задач управління, таких як здійснення маневру силами та засобами і відновлення порушеної системи, виникає необхідність включення до розвідувальних підрозділів повітряних мобільних засобів (безпілотних літальних апаратів), які обладнані засобами візуальної, телевізійної та зокрема радіаційної розвідки. Для своєчасного забезпечення інформацією про радіаційну обстановку необхідно мати 1-2 БПЛА для патрулювання та розвідки району радіаційного забруднення. Цінність отриманої із зазначених джерел інформації, при вирішенні задач управління, зростає порівняно з інформацією, що отримана наземними засобами розвідки. Технологічний продукт дозволяє вирішувати такі важливі проблеми, як дистанційний 3D моніторинг зони спостереження та радіаційної розвідки в районі радіаційного забруднення, оцінку ризиків впливу зараження на здоров'я особового складу, які дислокуються у зоні радіаційного забруднення, забезпечення інформаційно-телекомунікаційних послуг у районах із зруйнованою або відсутньою інфраструктурою. Ключові слова: інформаційні технології, підтримки прийняття рішень, параметрична адаптація моделі, щільність точок розвідки, небезпечне радіаційне забруднення, радіаційна розвідка місцевості, хімічна розвідка, програмне забезпечення,. екстраполяція, потужність дози випромінювання, адаптивний алгоритм, Байєсівський аналіз.