О ценности информации, полученной средствами космического мониторинга потенциально опасных объектов

Язык труда и переводы:
УДК:
504.05
Дата публикации:
19 июля 2021, 13:43
Категория:
Б4. Промышленная и экологическая безопасность
Авторы
Синев Иван Олегович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Таранов Роман Александрович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Серов Сергей Анатольевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрена возможность использования космических средств для получения информации о состоянии потенциально опасного объекта. Проанализирована методика оценки качества и количества информации, полученной при мониторинге предприятий по обогащению урана с помощью космических средств. Исследован энтропийный метод оценки количества информации, основанный на связи между информацией и термодинамической величиной — энтропией. Показано, что такой подход может быть использован при анализе состояния сложной технической системы, обладающей большим числом признаков.
Ключевые слова:
потенциально опасные объекты, космический мониторинг, промышленная безопасность, теория информации, ценность информации
Основной текст труда

Введение

Анализ причин и последствий наиболее крупных аварий на потенциально опасных объектах в России и за рубежом показал, что объекты, эксплуатация которых сопряжена с значительной опасностью для людей и окружающей среды, в большинстве случаев, создавались и создаются с использованием традиционных правил проектирования и простейших инженерных методов расчетов, испытаний, моделирования, диагностики и защиты. В отечественной и зарубежной практике отсутствуют сформировавшиеся фундаментальные научные основы обеспечения комплексного мониторинга состояния потенциально опасных объектов.

Современный подход к обеспечению безопасности на базе управления риском базируется на парадигме управления риском и предполагает перенос акцента с усилий по ликвидации последствий катастроф на проведение мероприятий по их прогнозированию и предотвращению [1].

Такой переход означает развитие систем комплексного мониторинга и диагностики технического состояния объекта и прилегающей территории, что является одним из основных методов снижения риска чрезвычайных ситуаций техногенного характера и повышения уровня защищенности.

Для оценки состояния потенциально опасных объектов необходимо применение систем комплексного мониторинга с использованием средств наземного, морского, воздушного и космического базирования с получением и регистрацией соответствующей информации. При этом актуальным является вопрос о составе, количестве и качестве получаемой информации, а также о ее достаточности для решения поставленной задачи [2, 3].

Другим возможным подходом для минимизации возможных опасных ситуаций может служить определение эффективности применяемых методов контроля на основе изучения вероятности обнаружения того или иного дефекта.

В справочнике [4] представлены подробные таблицы со значениями таких вероятностей. На основе этого, авторы [5] описывают метод определения количества информации, получаемой различными методами неразрушающего контроля, что может быть использовано в качестве критерия определения достаточности контроля того или иного дефекта.

В реальных задачах мониторинга конкретных объектов, как правило, используется понятие ценности и уровня достаточности получаемой информации для анализа их состояния.

Цель настоящего исследования — изучение возможности использования космических средств для получения информации о состоянии потенциально опасного объекта на примере завода по обогащению урана.

Описание используемых подходов

Технология мониторинга опасных производственных объектов позволяет получать достаточно полную картину о состоянии объекта, включая занимаемую площадь, температуру поверхности объекта, координаты объекта, наличие разлива опасных веществ (нефть и нефтепродукты), химический состав атмосферы на территории объекта, т. е. наличие и концентрацию опасных веществ, использующихся на объекте, радиационный фон территории, прилегающей к объекту, наличие населенных пунктов расположенных в зоне влияния объекта, визуальную картину объекта и прилегающую территорию.

Благодаря полученным в результате космического мониторинга данным, можно проанализировать состояние потенциально опасного объекта в целом, района его расположения, а также динамику параметров непосредственно находящегося в зоне наблюдения оборудования и окружающей среды [6].

Следует отметить, что 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 количественном отношении достаточность и ценность информации (IN), содержащейся в полученном со спутника сообщении ( {\overrightarrow {Z}} ), где  {\overrightarrow {Z}}=(z_{1},z_{2},...,z_{n}) — вектор информации, содержащейся в полученном сообщении, N — количество параметров, содержащихся в принимаемом сообщении. Обозначим через М число показаний ( {\overrightarrow {Z}}_{m} ), передаваемых спутником за сутки, где m — номер показания в течении суток (m = 1 … М).

Для оценки количества информации, получаемой со спутника за одно сообщение по одному параметру, можно использовать выражение для оценки количества информации I_{j} , где j = 1 … N, выражение, предложенное К. Шенноном:

I_{j}=-\sum _{i=1}^{k}p_{i}\cdot log_{2}p_{i},

где pi — априорная вероятность реализации одного из k вариантов рассматриваемого признака в данном измерении.

Знак «–» перед всей правой частью формулы поставлен для того, чтобы величина   была положительной, несмотря на то, что log_{2}p_{i}<0\,(p_{i}<1) .

Количество информации, получаемое со спутника за одно сообщение по всем параметрам, будет определяться суммой количества информации.

Количество информации в сообщении, получаемом со спутника, не зависит от того или иного порядка получения рассматриваемых параметров, а зависти от количества параметров необходимых для решения задачи.

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

Определение ценности информации

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.

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

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

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

V=log_{2}{\frac {P}{p}},

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, тогда:

p=2^{-I} 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. Корогодиным, является величина:

V={\frac {P-p}{1-p}}.

Она обладает теми же свойствами, что ценность, но изменяется в пределах от 0 до 1. 

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 p=1/n  (где n —  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=V_{max}=log_{2}n , т. е. совпадает с максимальным значением информации в данном множестве. При этом ценность информации можно понимать как количество ценной информации.

Переходя к рассмотрению возможности получения информации о состоянии завода по обогащению урана, необходимо определить особенности объекта и его технологического процесса. На основании этих особенностей можно определить признаки, характеризующие рассматриваемый объект.

Технология обогащения урана является энергоемким процессом, с выделением большого количества теплоты. В связи с этим рассматриваемый объект может характеризоваться повышенной температурой. Поэтому большой интерес для целей верификации заключается отличие температуры представляющего интерес объекта от температуры окружающей среды.

Для обогащения урана используются реакторы во время работы, которых и некоторое время после их закрытия существенным фактором является удаление тепла из его активной зоны для предотвращения плавления топлива. Для этого используются различные виды систем охлаждения для рассеивания избыточного тепла в окружающую среду, включая градирни, бассейны, проточную воду из рек или из моря. Некоторые заводы производят столько избыточного тепла, что у них должны быть подобные системы охлаждения.

На основе проведенного выше анализа можно выделить сведения о ряде признаков, характеризующих состояние объекта мониторинга, содержащихся в сообщении, получаемого со спутника:

  • координаты местоположения объекта G;
  • разница температур поверхности объекта t1 и окружающей среды t2;
  • влагосодержание в облаке пара градирен Q;
  • содержание воды в отстойных бассейнах W.

Анализ ценности и объема информации о признаках объекта мониторинга

Определим ценность и количество информации, содержащейся в каждом признаке.

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 (достижения 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 (достижения цели после получения информации) тоже будет равна или 1, или 0 (Р = 1 и Р = 0).

Тогда количество информации равно:

I_{1}=-(1\cdot log_{2}1+0\cdot log_{2}1)=0. Количество информации ценность информации: V=log_{2}{\frac {1}{1}}=0.

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

Данные о температуре объекта t1 и окружающей среды t2. 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 ttпоt, т.е. не выходит за пределы допустимых границ t и t. Разница температуры поверхности объекта и окружающей среды Δt =tпо tос. Работа объекта происходит в штатном режиме.

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

Вариант 3: не совпадает с нормальной рабочей температурой поверхности объекта и температура поверхности объекта равна температуре окружающей среды Δt = 0. Объект длительное время не эксплуатируется.

Вариант 4: не совпадает с нормальной рабочей температурой поверхности объекта и температура объекта превышает допустимые пределы, Δt > 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 p1 = 0,999889; p2 = 10–4; p3 = 10–5; p4 = 10–6.

Следовательно, количество информации, которое может быть получено при помощи данного признака равно: I_{2}=-(p_{1}\cdot log_{2}p_{1}+p_{2}\cdot log_{2}p_{2}+p_{3}\cdot log_{2}p_{3}+p_{4}\cdot log_{2}p_{4})=1,677\cdot 10^{-4}.

Априорная вероятность правильного определения состояния объекта равна:

p=2^{-I}=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 равна 0,991, что близко 1.

Влагосодержание в облаке пара градирен Q. Градирни предприятий по обогащению урана или атомных электростанций являются неотъемлемой частью технологического процесса. В градирнях происходит охлаждение воды, поступающей в нагретом состоянии из охлаждающих контуров. После охлаждения в градирнях вода поступает обратно в охлаждающие контуры энергоемких технологических процессов предприятия. Нарушение работы градирни или прекращение ее функционирования, может говорить о нарушении технологического режима, т.е. будет прекращен процесс охлаждения. Что может привести к перегреву оборудования и как следствие этого его взрыву, выбросу радиоактивных веществ и загрязнению значительных территорий и населения, проживающего на этих территориях. Остановка градирен может быть вызвана неисправностью насосов, подающих воду в градирни, прорывом трубопроводов, разрушением самой градирни и др. Все эти причины могут быть связаны как с износом оборудования, так и с террористическими актами.

Поэтому изменение влагосодержания в облаках пара градирен является важным показателем нормальной работы предприятия.

Работа градирен, однако, 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: p1 = 0,999889; p2 = 10–4; p3 = 105; p4 = 106. Априорная вероятность правильного определения состояния объекта p= 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: V={\frac {P-p}{1-p}}=-854. Таким образом, данная информация при апостериорной вероятности 0,9 не представляет никакой ценности.

Содержание воды в отстойных бассейнах I. Отстойные бассейны, также как и градирни, являются важной частью технологического процесса рассматриваемого объекта. Вода, поступающая в водоемы из системы охлаждения предприятия в нагретом состоянии, охлаждается и затем опять забирается из водоема и подается в систему охлаждения. Нарушение подачи воды из водоемов, спровоцирует развитие аварийной ситуации на предприятии. В основном подобные водоемы искусственного происхождения, некоторые из них организованы путем установки дамб и плотин. Спуск воды из водоемов приведет к серьезному нарушению технологического режима работы объекта. Это может быть вызвано нарушением работы насосов или разрушением дамбы, в том числе в результате террористического акта. Разрушение дамбы так же может привести к затоплению прилегающих территорий. Поэтому наличие воды в отстойных водоемах является одним из основных признаков безопасной работы предприятия, деятельность которого связана с переработкой или использованием в технологическом процессе радиоактивных веществ.

Таким образом до получения информации о рассматриваемом параметре возможны четыре варианта событий, которые были рассмотрены выше.

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: p1 = 0,999889; p2 = 10–4; p3 = 10–5; p4 = 10–6. Априорная вероятность правильного определения состояния объекта p= 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:

V={\frac {P-p}{1-p}}=-426.

Таким образом, 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.

Обсуждение

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 за объектами 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 t1 и окружающей среды t2, а такие признаки как влагосодержание в облаке пара градирен Q и содержание воды в отстойных бассейнах W при принятых значениях апостериорной вероятности  представляет отрицательную ценность (ложные тревоги), хотя на самом деле эти значения могут оказаться значительно выше и тогда ценность признаков может оказаться положительной. Информация о координатах местоположения статического объекта G 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 развивающийся сложной технической системе необходимость выбора оценки ее состояния возникает, когда она приходит в неустойчивое состояние, т. е. находится в точке бифуркации. В нашем случае неустойчивое состояние системы происходит при нарушении технологического режима работы либо возникновения аварийной ситуации. Из множества различных вариантов, на основании данных о состоянии объекта, делается выбор, мощность и характер которого определяется типом бифуркации.

Значительный интерес представляет наблюдение за объектами априорная информация о признаках которых неизвестна.

Предположим, что не имеется априорной информации об рассмотренном в данной работе объекте. Полагаем что имеется четыре равно информационных признака.

В теории информации существует связь между информацией и термодинамической величиной — энтропией [7]. Уравнение Шеннона для количества информации I имеет сходство с формулой Больцмана для энтропии S. Различие в размерности устраняется выбором единиц измерения I, которое можно измерять и в энтропийных единицах. В дальнейшем появилось понятие негоэнтропии и утверждение, что информация — есть негоэнтропия. Любая сложная техническая система обладает энтропией S.

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=log_{2}n=-log_{2}W,

где n — число состояний объекта; W=1/n — 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.

Четыре состоянии объекта возможны, поэтому до получения данных количество информации о состоянии объекта очень мало и равно: I=log_{2}n=-log_{2}(1/4)=-2.

Запишем выражение Больцмана для определения энтропии: S=k\cdot lnW,

где k = 1,38·10–23 Дж/град — постоянная Больцмана.

Информация и энтропия пропорциональны друг другу: S=-{\frac {k}{log_{2}e}}I=-{\frac {k}{1,44}}I.

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

В результате измерения и получения микроинформации об объекте энтропия системы уменьшается: \triangle S=-{\frac {k}{1,44}}\triangle I.

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.

Заключение

Наблюдение за объектами из космоса представляет значительный интерес в случаях оценки безопасности либо высоко-рисковых объектов, либо при контроле динамично меняющихся и подвижных объектов. Ценность полученной информации в этих случаях значительно возрастает.

Из рассмотренных четырех признаков максимальной ценностью информации обладают данные о температуре объекта и окружающей среды. Полученная от систем космического базирования информация об этих параметрах может быть использована для анализа состояния потенциально опасных объектов.

Источники финансирования. Работа, результаты которой использованы в данной научной публикации, выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках соглашения № 175-11-2019-087 от 18.12.2019.

Литература
  1. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 августа 2005 г. № 1314-р, Москва «Концепция федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры Российской Федерации и опасных грузов». URL: https://docs.cntd.ru/document/901945388 (дата обращения 14.07.2021).
  2. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация // УФН. 1994. Вып. 164. № 5. С. 449–530.
  3. Timmerman Y., Bronselaer A. Measuring data quality in information systems research // Decision Support Systems, Elsevier Ltd. 2019. Vol. 126. Art. no. 13138. DOI: 10.1016/j.dss.2019.113138
  4. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика. М.: Машиностроение, 2005. 656 с.
  5. Захаров В.А., Решенкин А.С. Подход к определению эффективности применения средств неразрушающего контроля и диагностики // Вестник РГУПС. 2006. № 4. С. 9–14.
  6. Автоматическое управление и вычислительная техника. Вып. 10. Распознавание образов. М.: Машиностроение, 2016. 256 c.
  7. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. Динамическая теория информации. № 13. Изд. 5. М.: URSS. 2017. 304 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.