Многокритериальный анализ информационных систем обеспечения шахтной безопасности

--© В.В. Стучилин, И.Е. Соловьева,

2012

УДК 622:658.011.56

В.В. Стучилин, И.Е. Соловьева

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ШАХТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рассмотрены методы многокритериального анализа информационно-измерительных систем обеспечения безопасности в угольных шахтах РФ. Подробно рассмотрен метод ELECTRE.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, обеспечение шахтной безопасности, методология построения, АСУТП, метод ELECTRE, угольная шахта, многокритериальный анализ.

В настоящее время в России возобновились активные разработки полезных ископаемых, что привело к увеличению производительности шахт и, следовательно, увеличению числа опасных ситуаций. В связи с этим, вопрос обеспечения уровня безопасности, соответствующего современным требованиям на угольных шахтах, стал особенно актуальным.

Установка в шахтах современного оборудования, позволяющего обеспечить автоматический контроль параметров безопасности, является высокоприоритетной задачей для угольной промышленности. Внедрение таких систем помогает резко снизить число аварий в угледобывающей промышленности.

Подобные системы уже существуют в российских шахтах, но в большинстве случаев не отвечают современным требованиям.

На кафедре Электротехники и информационных систем Московского государственного горного университета была разработана информационно-измерительная система обеспечения безопасности участка шахты.

Для проведения испытаний и дальнейшего использования разработанной системы было необходимо выбрать одну из общешахтных систем обеспечения безопасности, которая позволила бы без серьезных доработок интегрировать в себя новую подсистему.

Таким образом, появилась задача выбора оптимальной информационно-измерительной системы (ИИС). В настоящей статье рассмотрен пример решения этой задачи с использованием метода многокритериального анализа ELECTRE.

Перечислим наиболее распространенные на шахтах РФ системы обеспечения безопасности: «Monarc», «Davis Derby», автоматизированная система мониторинга и управления шахтными технологическими процессами на базе контроллера Granch SBTC2, ИИС «Микон», автоматизированный комплекс контроля рудничной атмосферы АКМР-М, система комплексного мониторинга безопасности угольных шахт типа STARSMP, система фирмы Becker Mining Systems и другие.

Описание метода ELECTRE

Методы ELECTRE направлены на решение задач с уже заданными многокритериальными альтернативами. В этих методах не определяется количественно показатель качества каждой из альтернатив, а устанавливается лишь условие превосходства одной альтернативы над другой.

При использовании метода ELECTRE можно выделить следующие основные этапы:

1) На основании заданных оценок двух альтернатив подсчитываются значения двух индексов: согласия и несогласия. Эти индексы определяют согласие и несогласие с гипотезой, что альтернатива А превосходит альтернативу В.

2) Задаются уровни согласия и несогласия, с которыми сравниваются подсчитанные индексы для каждой пары альтернатив. Если индекс согласия выше заданного уровня, а индекс несогласия - ниже, то одна из альтернатив превосходит другую. В противном случае альтернативы несравнимы.

3) Из множества альтернатив удаляются доминируемые. Оставшиеся образуют первое ядро. Альтернативы, входящие в ядро, могут быть либо эквивалентными либо несравнимыми.

4) Вводятся более «слабые» значения уровней согласия и несогласия (меньший по значению уровень согласия и больший уровень несогласия), при которых выделяются ядра с меньшим количеством альтернатив.

5) В последнее ядро входят наилучшие альтернативы. После дова-тельность ядер определяет упорядоченность альтернатив по качеству.

Важным достоинством методов ELECTRE является поэтапность выяв-

ления предпочтений лица принимающего решения (ЛПР) в процессе назначения уровней согласия и несогласия и изучения ядер. Летальный анализ позволяет лицу принимающему решение сформулировать свои предпочтения, определить компромиссы между критериями.

Трудности при применении методов ELECTRE связаны с назначением ЛПР весов. В ряде случаев при выделении ядер могут возникнуть циклы.

Выбор оптимальной системы методом electre

Основные параметры, по которым определялся наилучший вариант ИИС, определялись экспертным методом. Были выбраны следующие характеристики:

1. Стоимость предложения.

2. Количество обслуживаемых подземных устройств.

3. Операционная среда системы

4. Способ автоматизации технологических процессов.

5. Линия передачи данных.

6. Скорость передачи данных.

7. Наличие резерва линии связи.

8. Максимальное расстояние от поверхности до контроллера.

9. Максимальное расстояние между контроллерами.

10. Наличие резервного питания.

Составим таблицу критериев, по

которым будут оценивать варианты. Исходя из представления о сравнительной важности, каждому критерию поставим в соответствие весовой коэффициент, а также определим длину шкалы, по которой будем оценивать варианты (табл. 1).

На основании технической документации и информации от производителей ИИС составим таблицу оценок (табл. 2) по приведенным выше критериям.

Таблица 1

Таблица критериев для оценки вариантов

№ Критерий Вес критерия Длина шкалы

1 Стоимость предложения, 7 6

2 Кол-во обслуживаемых подземных устройств 5 5

3 Операционная среда системы 5 5

4 Способ автоматизации технологических процессов 6 2

5 Линия передачи данных 5 3

6 Скорость передачи данных 7 6

7 Наличие резерва линии связи 5 2

8 Максимальное расстояние от поверхности до контроллера 4 5

9 Максимальное расстояние между контроллерами 4 4

10 Наличие резервного питания 5 3

Таблица 2

Таблица оценок вариантов

Наименование системы Микон 1Р ПРОМТЕХ АНАЛИТ НПФ ЕМАв ВЕСНЕ!* Оау1в ВАШЦ/Ш &

Наименование критерия (А) (В) ПРИБОР Гранч (Е) (Р) ОегЬу РКАМСК

Стоимость предложения 6 3 6 5 3 1 4 2

Кол-во обслуживаемых подземных устройств 2 4 1 5 2 3 1 2

Операционная среда системы 2 4 3 5 3 4 2 4

Способ автоматизации технологических 1 2 1 2 1 2 1 1

процессов

Линия передачи данных 1 3 3 3 2 2 1 2

Скорость передачи данных 1 4 1 6 1 3 4 3

Наличие резерва линии связи 1 2 2 2 1 1 1 1

Максимальное расстояние от поверхности до 5 2 4 3 4 1 4 4

контроллера

Максимальное расстояние между контролле- 4 2 3 3 0 1 1 3

рами

Наличие резервного питания 1 0 2 3 2 2 0 0

со

После определения оценок рассчитываем индекс «согласия» для метода ELECTRE по формуле

I W

с =

АВ

iel+ ,Г

IW

где

N

максимальная

сумма

весов

IW =53.

Рассматриваем все пары вариантов. Если по какому-либо критерию один из вариантов лучше чем другой или значения раны, то соответствующий критерию вес прибавляется к Шу +(эти баллы символизируют выбор «За»), полученное значение делится на

N

^ Щ . Результаты вычислений предс-

1=1

тавлены в табл. 3.

Индексы «несогласия» рассчитываются по формуле

dAB = maxie/-

/ -1' 'в 'a

L

Лля каждой пары вариантов, где по какому-либо критерию один из вариантов хуже чем другой, находится максимальная разность значений, нормированная по шкале критерия (табл. 4).

Выделим ядро, для этого из множества вариантов удалим доминируемые. Зададим уровни согласия С и несогласия Э. (С=40/53; 0=0.33).

Значения, меньшие уровня согласия С и большие уровня несогласия Э, отбрасываются

На основании данных табл. 5 и табл. 6 построим граф предпочтений, оставляя наиболее сильные связи (рис. 1).

Из рис. 1 очевидно, что вариант С предпочтительнее варианта А, вариант В

Рис. 1. Граф предпочтений для метода ELECTRE

предпочтительнее варианта G, а вариант D предпочтительнее вариантов A, E, F, G, H. Таким образом, можем выделить ядро доминирующих элементов, в него будут входить варианты B, C, D.

Лля выявления лучшего варианта будем менять значения уровней согласия и несогласия, изменяя матрицы индексов согласия и несогласия, тем самым выявлять менее сильные связи в графах предпочтений.

В ядро доминирующих вариантов вошли варианты B,C,D. Составим матрицы согласия и несогласия для этих вариантов (табл. 7). Также зададим уровни согласия С=35/53 и несогласия D=0.4.

Составим граф предпочтений (рис. 2).

Рис. 2. Граф предпочтений для метода ELECTRE

Таблица 3

Матрица индексов «согласия» ELECTRE

A B B D E F G H

A * 21/53 33/53 15/53 31/53 17/53 32/53 36/53

B 32/53 * 33/53 16/53 44/53 5/53 42/53 45/53

C 40/53 30/53 * 25/53 27/53 15/53 46/53 31/53

D 46/53 42/53 35/53 * 49/53 53/53 49/53 49/53

E 38/53 16/53 32/53 4/53 * 16/53 25/53 32/53

F 38/53 16/53 28/53 6/53 38/53 * 38/53 38/53

G 32/53 23/53 22/53 4/53 33/53 27/53 * 29/53

H 32/53 18/53 31/53 8/53 41/53 44/53 36/53 *

Таблица 4

Матрица индексов «несогласия» ELECTRE

A B B D E F G H

A * 0.66 0.66 0.8 0.33 0.5 0.5 0.4

B 0.5 * 0.66 1 0.66 0.66 0.3 0.4

C 0.25 0.6 * 0.8 0.2 0.5 0.5 0.33

D 0.25 0.4 0.2 * 0.2 0 0.2 0.2

E 1 0.5 0.5 0.8 * 0.5 0.5 0.75

F 0.8 0.33 0.8 0.66 0.6 * 0.6 0.6

G 0.33 0.66 0.66 1 0.66 0.5 * 0.5

H 0.66 0.4 0.66 1 0.66 0.66 0.33 *

Таблица 5

Матрица индексов «согласия» ELECTRE, С=40/53

A B с D E F G H

A B C D E F G H * 40/53 46/53 * 42/53 * * 44/53 49/53 * 41/53 53/53 * 44/53 42/53 46/53 49/53 * 36/53 45/53 49/53 *

Таблица 6

Матрица индексов «несогласия» ELECTRE, D=0.33

A B с D E F G H

A B C D E F G H * 0.25 0.25 0.33 * 0.33 * 0.2 * 0.33 0. 2 0.2 * 0 * 0. 3 0. 2 * 0.33 0.2 *

Таблица 7

Матрицы индексов «согласия» и «несогласия

MaTi )ица индексов согласия Матрица индексов несогласия

B с D B C D

B C D * 42/53 * 35/53 * B C D * 0. 4 * 0.2 *

Из рис. 2 очевидно, что вариант Э лучше варианта В и вариант Э лучше варианта С. Петель в графе нет, граф остался целостным. Таким образом, можно считать, что решение найдено. Из этого следует, что вариант Э -лучший.

Таким образом, в результате проведенных расчетов можно заключить, что в наибольшей степени для решения поставленных задач подходит система вгапсЬ 5ВТС2. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Стучилин В.В. — кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и информационные системы», e-mail: mail@stuchilin.com,

Соловьева И.Е. — студентка 4-ого курса группы ИС-06, кафедра «Электротехника и информационные системы», e-mail: kapitalistka@yandex.ru.