Методика оценки количества и качества информации, необходимой для мониторинга состояния объектов по обогащению урана с использованием космических средств

/10 Civil Securitiy Technology, Vol. 7, 2010, No. 3

УДК 699.8(083.7):614.8:504.064+004.056.5

Методика оценки количества и качества информации, необходимой для мониторинга состояния объектов по обогащению урана с использованием космических средств

Н.А.Махутов, Р.А.Таранов, С.А.Качанов

Аннотация

В настоящее время на территории России функционирует большое количество потенциально опасных объектов, которые несут потенциальную опасность для здоровья и жизни людей при возникновении на них аварий.

Такие объекты требуют обеспечения высокого уровня безопасности и надежности. Одним из методов обеспечения безопасности таких объектов является мониторинг их состояния. В работе рассмотрена возможность мониторинга завода по обогащению урана с использованием космических средств, а также представлена методика оценки информации, получаемой со спутников о состоянии объекта.

Ключевые слова: потенциально опасные объекты, критически важные объекты, мониторинг, уровень защищенности, информация, качество информации, количество информации.

Methodic of Estimation Quantity and Quality of Information Needed for Monitoring of Uranium Enrichment Objects with the Use of Space Means

N. Makhutov, R. Taranov, S. Kachanov

Abstract

Large amount of potentially dangerous objects is functioning on the territory of the Russian Federation at the present moment. They are potentially dangerous for the health and life of people in case of emergency. These objects demand high level of safety and reliability. One of the methods providing safety of such objects is monitoring of their condition. Authors describe the possibility of uranium enrichment plant monitoring with the use of space monitoring means and present information estimation methodic.

Key words: potentially dangerous objects, critically important objects, monitoring, protection level, information, quality of information, quantity of information.

Для мониторинга объектов и грузов и оценки их состояния необходимо получение информации о состоянии этих объектов и грузов.

Источники информации могут быть наземного, морского, воздушного и космического базирования.

Поэтому для проведения мониторинга объектов и грузов и анализа их состояния необходимо определить, какая информация необходима для решения данной задачи.

В реальных задачах, как правило, фигурирует не просто информация, а ценная или осмысленная информация. Кроме того, важное значение при проведении мониторинга объектов и грузов имеет количество информации, необходимое для проведения анализа их состояния.

В качестве объекта рассмотрим мониторинг предприятий по обогащению урана с помощью космических средств.

Информация, принимаемая со спутника наблюдения, содержит сведения:

— о разнице температур поверхности объекта t1 и окружающей среды t2, Дг = - г2;

— о координатах местоположения объекта О;

— о содержании воды в отстойных бассейнах W;

— о влагосодержании в облаке пара градирен 0. Кроме того, сообщения, принимаемые со спутников, содержат значительное количество информации, имеющей косвенное отношение к мониторингу рассматриваемых объектов.

Благодаря полученным данным можно будет говорить о состоянии объекта и района расположения данного объекта, но для этого необходимо оценить количество и ценность информации (I* ), содержащейся в полученном со

спутника сообщении (2), где 2 = (2Х,г2,.....) — вектор

информации, содержащейся в полученном сообщении, N — количество параметров, содержащихся в принимаемом сообщении. Обозначим через М — число показаний (2т ), передаваемых спутником за сутки, где т — номер

показания в течение суток (т = 1.....М).

Для оценки количества информации, получаемой со спутника за одно сообщение по одному параметру, можно использовать выражение для оценки количества информации I], где у = 1......N, выражение, предложенное К. Шенноном:

1] ="£Р, * 1°ё2 Р,

р1 — априорная вероятность реализации одного из к вариантов рассматриваемого признака в данном измерении.

Знак «-» перед всей правой частью формулы поставлен для того, чтобы величина I] была положительной, несмотря на то, что /о£2< 0 (р1 < 1).

Количество информации, получаемой со спутника за одно сообщение по всем параметрам, будет определяться выражением:

I* = 11].

Использование приведенного выражения позволяет определить пропускную способность каналов связи и способ декодирования сообщений.

Общее количество информации, получаемое со спутника за сутки, будет определяться выражением:

1м = ^ ^1т].

Однако выражения (1), (2) и (3) отражают количество информации, но не ее ценность.

Как уже отмечалось выше, сообщения, принимаемые со спутников, содержат значительное количество информации, имеющей косвенное отношение к мониторингу рассматриваемых объектов. Ценность данной информации может быть меньше, чем информация о признаках исследуемых объектов.

Ценность информации зависит от цели, которую мы преследуем.

Известны несколько способов количественного определения ценности. Все они основаны на представлении

о цели, достижению которой способствует полученная информация. Чем в большей мере информация помогает достижению цели, тем более ценной она считается.

Если цель наверняка достижима, и притом несколькими путями, то возможно определение ценности (V) по уменьшению материальных или временных затрат благодаря использованию информации.

Если достижение цели не обязательно, но вероятно, то используется один из следующих критериев:

а) мерой ценности, предложенной М.М. Бонгардом, является:

р

V = ,

Р

где: р — априорная вероятность достижения цели до получения информации;

Р — вероятность достижения цели после получения информации.

Априорная вероятность р зависит от полного количества информации I в (1), тогда:

р = 2-

Апостериорная вероятность Р может быть как больше, так и меньше р. В последнем случае ценность отрицательна, и такая информация называется дезинформацией;

б) мерой ценности, предложенной В.И. Корогоди-ным, является величина:

V =

Р - р

Т-7 •

Она обладает теми же свойствами, что ценность (4), но изменяется в пределах от 0 до 1. Далее для решения поставленной задачи определения ценности информации целесообразно использовать ценность, определяемую выражением (6), поскольку это удобнее и более наглядной.

Согласно (4) ценность информации зависит от величины р — вероятности достижения цели до получения информации, т. е. от того, какой предварительной (априорной) информацией уже располагает рецептор. Предварительная осведомленность называется тезаурусом. Если таковая отсутствует, то априорная вероятность во всех вариантах одинакова и равна р = 1/п (где п — число вариантов). В этом случае величина р играет роль нормировочного множителя. Если при этом после получения информации цель достигается наверняка (Р = 1), то ценность этой информации максимальна и равна V = Vmax = п, т. е. совпадает с максимальным значением информации в данном множестве. При этом ценность информации можно понимать как количество ценной информации.

Сообщение, получаемое со спутника, содержит сведения о ряде признаков, характеризующих состояние объекта мониторинга. К ним относятся сведения:

— о координатах местоположения объекта О;

— о разнице температур поверхности объекта ^ и окружающей среды

— о влагосодержании в облаке пара градирен 0;

— о содержании воды в отстойных бассейнах W. Определим ценность и количество информации, содержащейся в каждом признаке.

См! БесигШу Тес1ппо!оду, Уо!. 7, 2010, N0. 3

1. Координаты местоположения объекта G

До получения данных со спутника о координатах объекта мониторинга заранее известно место его расположения и соответственно его географические координаты, поэтому априорная вероятность р (достижение цели до получения информации) будет равна 1 — если объект присутствует, 0 — если объект отсутствует, (р = 1 и р = 0), при этом и апостериорная вероятность Р (достижение цели после получения информации) тоже будет равна или 1, или 0 (Р = 1 и Р = 0).

Тогда количество информации, определяемое выражением (1), соответственно равно:

11 =-(1- 1о§21 + 0  ^0) = 0.

Количество информации и ценность информации определяются выражением (3):

У = \о&2Р/р = 1о^1/1 = 1о^1 = 0.

Следовательно, количество информации и ценность информации о координатах объекта имеют для нас нулевую ценность.

2. Данные о температуре объекта t1 и окружающей среды ^

Сведения о температуре поверхности объекта являются важным показателем, характеризующим состояние объекта и его технологического режима. Возможны четыре варианта температуры поверхности объекта.

Вариант 1 — температура поверхности объекта совпадает с нормальной рабочей температурой поверхности объекта и лежит в пределах допустимого рабочего интервала 1Хи < 1по < ?2н, т. е. не выходит за пределы допустимых границ и ^ Разница температуры поверхности объекта и окружающей среды Д^и = ^ — toc. Работа объекта происходит в штатном режиме.

Вариант 2 — температура поверхности объекта не совпадает с нормальной рабочей температурой поверхности объекта и ниже температуры окружающей среды = ^поо — tоc < 0. Штатный режим работы объекта был нарушен. Применены охлаждающие или легко испаряющиеся средства.

Вариант 3 — температура поверхности объекта не совпадает с нормальной рабочей температурой поверхности объекта и равна температуре окружающей среды Д^и = tпо — = 0. Объект длительное время не эксплуатируется.

Вариант 4 — температура поверхности объекта не совпадает с нормальной рабочей температурой поверхности объекта, и температура объекта превышает допустимые пределы Д^и = tпо — tоc > 0. Режим работы предприятия нарушен, развивается аварийная ситуация, возможна чрезвычайная ситуация.

Из сказанного можно сделать вывод о том, что до получения информации о температуре поверхности объекта возможны четыре варианта состояния объекта:

1) объект функционирует в нормальном (проектном) режиме;

2) технологический процесс нарушен, и объект находится в предаварийном состоянии;

3) на объекте произошла авария, которая была устранена собственными силами предприятия и не привела к развитию чрезвычайной ситуации;

4) на объекте произошла авария, которая переросла или перерастает в чрезвычайную ситуацию.

Известно, что вероятность аварии на таком объекте составляет менее 10-5, а, вероятность аварии, переросшей в чрезвычайную ситуацию, не более 10-6, тогда вероятность нарушения технологического процесса составляет не более 10-4, а, следовательно, вероятность нормального функционирования объекта составляет 1-10-5-10-6-10-4 = 0,999889. Таким образом, р1 = 0,999889; Р2 = 10-4; р3 = 10-5; р4 = 10-6.

Следовательно, количество информации, которое может быть получено при помощи данного признака, равно:

72 = — (Р\  1о«2 Р1 + Р2 ' 1о«2 Р2 + Рз ' 1о«2 Рз + Р4 ' ^2Р4) = -(0,999889 • (- 0,00001607) + 0,0001 • (-1,33) + + 0,00001 • (-1,67) + 0,000001 • (-2) = (1,6 + 13,3 + 1,67 + 0,2) • 10-5 = 1,677 • 10-4.

Следовательно, априорная вероятность правильного определения состояния объекта равна:

Р = 2-/ = 2-0,0001677 = 0,999883.

После получения информации от спутника, полагаем, что апостериорная вероятность достижения цели Р будет составлять 0,999999, так как на основании анализа разницы температур поверхности объекта и окружающей среды мы с вероятностью близкой к 1 (Р = 0,999999) можем сделать заключение о состоянии объекта. Тогда ценность информации будет определяться выражением (5):

у = р - Р = 0,999999 - 0,999883 = 0 = 1 - р ~ 1 - 0,999883 = , ,

то есть ценность информации о температуре поверхности объекта близка к 1.

3. Влагосодержание в облаке пара градирен Q

Работа градирен не является прямым информативным признаком о состоянии объекта, поэтому априорные и апостериорные вероятности, связывающие состояния объектов и работу градирен, иные, чем в предыдущем случае. Конкретные цифры, характеризующие состояние объекта, требуют знаний технологической цепочки работы предприятия.

Априорные вероятности состояния объектов определены выше и равны соответственно: р1 = 0,999889; Р2 = 10-4; Р3 = 10-5; Р4 = 10-6. Априорная вероятность правильного определения состояния объекта равна: Р = 2-/ = 2-0,0001677 = 0,999883.

Предположим, что после получения информации со спутника о состоянии градирен апостериорная вероятность достижения цели Р будет составлять 0,9. Тогда ценность данной информации составляет:

V = (Р—р)/(1 — Р) = (0,9 — 0,999883)/(1 — 0,999883)= — 853,

то есть данная информация при апостериорной вероятности 0,9 не представляет никакой ценности.

4. Содержание воды в отстойных бассейнахZ

Состояние водоемов также не является прямым информативным признаком о состоянии объекта, поэтому априорные и апостериорные вероятности, связывающие состояния объектов и водоемов, иные, чем

в предыдущих случаях. Конкретные цифры, характеризующие состояние объекта, также требуют знаний технологической цепочки работы предприятия.

Априорные вероятности состояния объектов определены выше и равны соответственно: р1 = 0,999889; р2 = 10-4; р3 = 10-5; р4 = 10-6. Априорная вероятность правильного определения состояния объекта равна:

р = 2-1 = 2-°,0001677 = 0,999883.

Предположим, что после получения информации со спутника о состоянии водоемов, апостериорная вероятность достижения цели Р будет составлять 0,95. Тогда ценность данной информации составляет:

V= (Р—р)/(1 — р) = (0,95 — 0,999883)/(1 — 0,999883) = -426.

Т.е. данная информация даже при апостериорной вероятности 0,95 не представляет никакой ценности. Это обуславливается в первую очередь тем, что велика априорная вероятность нормального функционирования объекта.

Анализ информативности признаков показывает, что при сделанных предположениях ценность информации возрастает при высокой вероятности аварии на объекте, однако в рассматриваемом случае, при принятых значениях априорной вероятности состояния объекта при ориентации на два последних признака, велика вероятность ложной тревоги.

Наблюдение из космоса представляет значительный интерес либо за высоко рисковыми объектами, либо за динамично меняющимися или подвижными объектами. Для таких объектов ценность информации будет значительно выше.

Можно сделать вывод о том, что из рассмотренных выше четырех признаков только один имеет максимальную ценность. Это данные о температуре объекта ^ и окружающей среды а такие признаки, как влагосо-держание в облаке пара градирен 0 и содержание воды в отстойных бассейнах W при принятых значениях апостериорной вероятности представляют отрицательную ценность (ложные тревоги), хотя на самом деле эти значения могут оказаться выше, и тогда ценность признаков может оказаться положительной. Информация о координатах местоположения статического объекта О имеет нулевую ценность и не представляет никакого интереса для решения задачи мониторинга объектов, однако данная информация может представлять интерес для решения других задач, например наблюдения за перемещением грузов.

В теории информации существует связь между информацией и термодинамической величиной — энтропией [2].

При отсутствии какой-либо информации о состоянии объекта и его технологическом режиме энтропия объекта максимальна. Сообщение, которое мы получаем со спутника, содержит данные о объекте. Количество информации в сообщении может быть определено выражением:

I = 1ск2 п =

где: п — число состояний объекта;

W = 1/п — вероятность случайно выбрать какое-либо одно из состояний до получения информации.

Знак «—» в выражении ставится для того, чтобы количество информации не было отрицательной величиной, так как log от числа меньше единицы дает отрицательное значение.

Раньше рассматривались четыре состояния объекта, поэтому до получения данных количество информации о состоянии объекта очень мало и согласно (7) равно: I = log2 n = —log2 W= —log21/4 = -2.

Запишем выражение Больцмана для определения энтропии:

5 = k lnW.

Как видно, это выражение очень похоже на выражение (7), следующее из формулы Шеннона, где k = 1,38*10-23Дж/град — постоянная Больцмана.

Поэтому информация и энтропия пропорциональны друг другу:

5 = "Г^ = "7^1.

log2 e 1,44

В действительности формула (9) представляет собой связь между энтропией и информационной емкостью (или «тарой»), поскольку сравниваются энтропия до измерения S(t) и количество информации после измерения I(t + т).

В результате измерения и получения микроинформации об объекте энтропия системы уменьшается:

AS =--AI.

1,44

Энтропийный метод оценки информации может быть использован при анализе состояния сложной технической системы, обладающей большим числом признаков. В этом случае обработка информации, содержащейся в этих признаках, будет невозможна с использованием рассмотренных выше методов.

Литература

1. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 августа 2005 г № 1314-р, «Концепция федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры Российской Федерации и опасных грузов».

2. ЧернавскийД.С. Синергетика и информация: Динамическая теория информации. «УРСС», 2004.

3. Автоматическое управление и вычислительная техника: Распознавание образов. Выпуск 10 / Под редакцией д.т.н., проф. В.В. Солодовникова. М.: «Машиностроение», 1972.

4. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. М.: Редакция журнала УФН, 1997.

5. Корогодин В.И. Информация и феномен информации. Пущино: АН СССР, 1991.

Сведения об авторах:

Махутов Николай Андреевич, член-корреспондент РАН, г Москва, Ленинский пр-т, 32А. Таранов Роман Александрович, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г Москва, М. Харитоньевский пер., 4.

Качанов Сергей Алексеевич, д.т.н., профессор, ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), заместитель начальника института по научной работе, 121352, г Москва, ул. Давыдковская, 7.