ProDec

System wspomagania decyzji w sytuacjach zagrożeń

1. Wprowadzenie

Podejmowanie poprawnych decyzji w sytuacjach zagrożeń takich jak powódź czy wyciek niebezpiecznych substancji chemicznych może ratować życie ludzkie oraz mienie. Odbywa się ono w warunkach silnego stresu. Decyzje trzeba podejmować szybko a ewentualne błedy mogą mieć katastrofalne następstwa. Dlatego ważne jest wcześniejsze przygotowanie zasad postępowania dla wszystkich możliwych zagrożeń aby móc właściwie reagować w każdej zaistniałej systuacji. Potrzebne są szkolenia przyszłych decydentów podczas których przekazywana jest wiedza o sposobach reakcji w przypadkach zagrożeń. Konieczna jest wcześniejsza analiza i przygotowanie sposobu reakcji na zagrożenia z uwzględnieniem możliwości technicznych i finansowych.

Wcześniejsze przygotowanie jest często zaniedbywane ponieważ wymaga poniesienia pewnych nakładów. Nakłady te są nieporównywalne ze stratami jakie możemy ponieść przez zaniedbanie przygotowań.

System ProDec (Procedury Decyzyjne) jest opracowywany w ramach projektu TranCat, którego celem jest stworzenie systemów zarządzania zlewniami transgranicznymi.

2. Zasady działania systemu ProDec

System ProDec wykorzystuje proste reguły decyzyjne typu:

   Jeśli zachodzi określone zagrożenie
       wykonaj określone działania

Stany zagrożeń rozpoznawane są na podstawie aktualnych wartości obserwowanych wskaźników. Aby stwierdzić czy zachodzi stan zagrożenia musimy sprawdzić czy wartości wskaźników mieszczą się w pewnych przedziałach. Tak więc, na podstawie znanych wartości wskaźników sprawdzamy jakie zagrożenia mają miejsce a następnie stosując reguły decyzyjne określamy listę działań właściwych dla tego stanu.

Nowością w systemie ProDec jest wykorzystanie logiki rozmytej do definiowania reguł decyzyjnych a dokładniej definiowania stanów zagrożeń na podstawie obserwowanych wskaźników. Dokładne przedziały wartości wskaźników, które określają stan zagrożenia zostały zastąpione przedziałami o rozmytych brzegach.


 Rys.1 Definiowanie poziomu wody z wykorzystaniem "rozmytych" przedziałów wartości.

Stosując logikę rozmytą uzyskujemy dodatkową informację w sytuacjach wątpliwych, gdy aktualne wartości wskaźników znajdują się blisko granicy przedziału wartości wskaźnika określającej stan zagrożenia. Jako wynik stosowania rozmytych reguł decyzyjnych otrzymujemy wykaz działań wraz z określonym stopniem przynależności do zbioru działań do wykonania. Jeśli stopień przynależności wynosi 1 oznacza to, że działanie powinno być bezwzględnie wykonane. Im stopień przynależności jest bliższy 1 tym silniejsze są zalecenia aby wymienione działanie wykonać. Im stopień przynależności jest bliższy 0, tym wykonanie działania jest mniej zalecane.

3. Budowa systemu ProDec

Systemie ProDec składa się z dwóch części:

W części pierwszej przygotowywany jest zbiór reguł decyzyjnych. Na podstawie mierzalnych lub prognozowanych wartości wskaźników np. poziomu lustra wody czy prognozowanej wielkości opadu określamy czy zachodzi sytuacja zagrożenia. Dla różnych zagrożeń określamy odpowiednie akcje jakie powinny być podjęte np. w przypadku zagrożenia lokalnymi podtopieniami należy zapewnić pomoc w ratowaniu mienia natomiast w przypadku zagrożenia dużą powodzią konieczne będzie szybkie przeprowadzenie ewakuacji ludności.

Część druga działa na podstawie przygotowanego w części pierwszej zbioru reguł decyzyjnych. Znając aktualne wartości wskaźników używanych do określenia stanu zagrożenia, po zastosowaniu tych reguł, otrzymamy zestaw proponowanych akcji, które powinny być podjęte w danej sytuacji.

4. Etapy tworzenia systemu ProDec

Przygotowanie systemu decyzyjnego, którego działanie opiera się na regułach decyzyjnych można podzielić na podane poniżej etapy. Etapy te zostały podane w kolejności ich realizacji ale w trakcie prac może zaistnieć potrzeba uzupełniania i uściślania informacji przygotowanej we wcześniejszym etapie.

4.1 Określenie zagrożeń i akcji

Pierwszym krokiem przy opracowywaniu reguł decyzynych jest zewidencjonowanie wszystkich możliwych zagrożeń araz akcji jakie można podjąć aby im przeciwdziałać. Ważne jest aby zagrożenia i akcje zostały nazwane w miarę możliwości krótko ale jednocześnie precyzyjnie ponieważ nazwy te będą używane przy definiowaniu reguł decyzyjnych. Jeśli w zależności od stopnia zagrożenia przewidujemy podjęcie różnych akcji, powinniśmy takie zagrożenia traktować jako osobne.

Przykładowe zagrożenia jakie możemy wyróżnić w zlewni rzeki Biała:

Przykładowe akcje:

4.2 Podział na obszary

Aby poprawnie opracować reguły decyzyjne należy podzielić zagrożony teren na obszary o podobnym stopniu i charakterze zagrożeń. W przypadku powodzi podział najczęściej wynika z konfiguracji terenu ale również może być związany z rodzajem zagospodarowania terenu, podziałem administracyjnym itp.

Zbyt szczegółowy podział wymaga określenia dużej liczby reguł decyzyjnych dlatego powinniśmy wydzielać jedynie takie obszary, w których zagrożenia są istotnie różne oraz takie, które wymagają odmiennych działań w przypadku zagrożeń. Na przykład możemy wydzielić tereny położone blisko nurtu rzeki, które często są podtapiane oraz tereny gdzie zagrożenie powodzią występuje sporadycznie. Dodatkowo możemy wydzielić tereny miejskie ze względu na konieczność podejmowania dodatkowych działań.

4.3 Wybór mierzonych wielkości

Racjonalne decyzje można podejmować tylko na podstawie dostępnej informacji. Projektując system podejmowania decyzji musimy dokonać wyboru wielkości, które będą stanowiły podstawę do ich podejmowania. Oczywiście informacje te muszą być zawsze dostępne oraz muszą być aktualne gdyż w przeciwnym razie nasze decyzje moga być całkowicie błędne. Tworząc reguły decyzyjne będziemy często dostrzegali potrzebę zorganizowania lub uzupełnienia systemu monitorowania stanu zagrożenia, który będzie regularnie dostarczał informacji potrzebnych do podejmowania decyzji.

Do określenia stanu zagrożenia powodziowego na danym terenie możemy wykorzystać pomiary wysokości lustra wody na rzece powyżej tego obszaru oraz aktualne prognozy opadów.

4.4 Określanie stanu zagrożenia

Aby stwierdzić czy mamy do czynienia z zagrożeniem powodziowym musimy znać aktualne wartości wskaźników wybranych w poprzednim punkcie jako podstawa do podejmowania decyzji. W zależności od tego w jakim zakresie mieszczą się aktualne wartości wskaźników stwierdzimy czy stan zagrożenia zachodzi czy nie. W systemie ProDec poszczególnym zakresom wartości wskaźników przyporzadkowujemy czytelne nazwy (np. poziom niski, normaly, wysoki, alarmowy) a stan zagrożenia definiujemy za pomocą prostego i czytelnego wyrażenia logicznego.



Rys 3. Definiowanie stanu zagrożenia na podstawie znanych wartości wskaźników (poziom wody, prognozy opadów) przez podanie wyrażenia wykorzystującego nazwy "rozmytych" przedziałów wartości tych wskażników np. Niski, Normaly, Wysiki, Alarmowy.

4.5 Tworzenie i testowanie reguł decyzyjnych

Reguła decyzyjna to przyporządkowanie działań stanom zagrożenia. Każdemu stanowi zagrożenia możemy przyporządkować wiele akcji, które należy podjąć po rozpoznaniu stanu zagrożenia na podstawie aktualnych wartości obserwowanych wskaźników.


Rys 4. Reguły decyzyjne

W podanym powyżej przykładzie reguł decyzyjnych stanowi nazwanemu:
 "Alarm powodziowy dla Głuchołaz"
przyporządkowano akcje:
 "Umacnianie wałów ochronnych" oraz
 "Ogłoszenie alarmu powodziowego"

Stan nazwany "Alarm powodziowy dla Głuchołaz" został zdefiniowany wcześniej za pomocą wyrażenia logicznego, w którym występują nazwane zakresy mierzonych wskaźników. Jeżeli dla aktualnych wartości wskaźników to wyrażenie logiczne jest prawdziwe (warunki są spełnione) to akcje przyporzątkowane temu stanowi powinny być podjęte.

Ponieważ warunki używane w regułach decyzyjnych mogą być skomlikowane konieczne jest sprawdzenie czy wskazują na  akcje zgodnie z mazą wiedzą i oczekiwaniami. System ProDec umożliwia dokładne testowanie opracowanych reguł. Testowanie polega na przygotowanie wielu zestawów danych odpowiadającym różnym sytuacjom i ich wykonywaniu.



Rys 5. Zestaw testów oraz wartości wskaźników dla testu nazwanego "Wysoki stan, średnie opady".

Dla wybranego testu ProDec sprawdza reguły decyzyjne dla podanych wartości wskaźników i wyświetla wyniki wskazując jakie akcjie powinne być podjęte. Dla podanego tu zestawu danych uzyskano wynik wskazujący, że zachodzi potrzeba

Rys 6. Wynik przeprowadzonego testu

Dla potrzeb testowania można uzyskać dokładniejszą informację okazującą w jaki sposób wynik został uzyskany.

Rys 7. Szczegółowy wynik przeprowadzonego testu.

Wiersze ze znakiem zapytania odpowiadają sprawdzanym warunkom (stanom). Liczba 0 na szarym tle w wielu wierszach tego typu oznacza, że po sprawdzeniu warunków stwierdzono, że stan ten nie zachodzi i żadne akcje nie muszą być podejmowane.  Liczba 34 na szarym tle w wierszu z tekstem "Umacnianie wałów ochronnych" określa stopień przynależności tego zestawu danych do stanu "Zagrożenia poniżej Głuchołaz" w skali od 0 do 100 co można ocenić jako słabe zalecenie wykonania akcji. Przy wartości 85 mówilibyśmy o silnym zaleceniu a przy wartości 100 o bezwzględnym zaleceniu wykonania akcji .

4.6 Szczegółowy opis akcji

Końcowym etapem przygodowania systemu ProDec do praktycznego wykorzystania jest opracowanie szczegółowych opisów wszystkich akcji. Opisy te powinny zawierać następujące informacje:

Opracowanie tej informacji w postaci elektronicznej (najlepiej w postaci stron w języku HTML) daje wiele korzyści. Informacje te mogą być łatwo udostępniane, wyszukiwane oraz uaktualniane. 

System ProDec ułatwia wykonanie tych opisów udostępniając prosty edytor stron WWW, którym mozna tworzyć czytelne strony zawierające mapki, rysunki itp. bez znajomosci języka HTML.

4.7 Zainstalowanie systemu

Opracowując system z wykorzystaniem programu wspomagającego opracowanie reguł decyzyjnych ProDec jako wynik otrzymamy plik zawierający definicje reguł decyzyjnych (w formacie XML) oraz szereg plików z informacją pomocniczą (w formacie HTML) takich jak opisy akcji, informacje o wskaźnikach itp. Instalacja systemu sprowadza się do przeniesienia wszystkich tych plików na serwer wraz z plikami oprogramowania wspomagającego podejmowanie decyzji (zrealizowanego w technologii PHP), które jest standardową częścią oprogramowania systemu TransCat.

4.8 Testowanie końcowe

Po zainstalowaniu systemu konieczne jest przeprowadzenie testów końcowych, podczas których sprawdzone zostanie działanie systemu, kompletność informacji, łatwość użytkowania. Dla potrzeb testowania można zmieniać wartości mierzonych wskaźników używanych w regułach decyzyjnych aby zbadać reakcję sytemu dla różnych scenariuszy.

Testowanie powinni wykonywać przyszli użytkownicy systemy lub specjalne powołane do tego zespoły. Testowania nie powinni wykonywać wykonawcy systemu ponieważ znając dobrze działanie systemu nie natkną się na problemy, z którymi może się spotkać użytkownik, a które powinny być rozwiązane aby system był w pełni użyteczny.

5. Wykorzystanie wyników modelowania

Opracowujac reguły decyzyjne w systemie ProDec wykorzystujemy przede wszystkim doświadczenien i wiedzę osób zajmujących się problematyką zagrożeń na danym terenie. Znając aktualne wartości poziomu wody oraz prognozy opadów możemy określić stopień zagrożenia oraz potrzebne działania. Nie jest to proste zadanie ponieważ zależności miedzy wskaźnikami mogą być bardzo złożone.

Aby opracować właściwe reguły decyzyjne dla zagrożeń powodziowych można i należy wykorzystać modelowanie spływu wód powierzchniowych. W modelach tego typu wykorzystuje się informacje o ukształtowaniu i pokryciu terenu objętego powodzią. Znając wielkość opadów można stosując te modele przewidzieć wielkość zalanych terenów oraz oszacować zniszczenia. Modelowanie pozwala uzupełnić wiedzę potrzebną do tworzenia reguł decyzyjnych.

Innym rozwiązaniem jest bezpośrednie wykorzystanie modelowania w procesie decyzyjnym. W tym przypadku aktualne wartości wskaźników są wprowadzane jako dane wejściowe do modelu a wyniki modelowania w postaci pewnych wskaźników są używane w regułach decyzyjnych.

6. Uwagi końcowe

Wykorzystanie nowoczesnego aparatu logiki rozmytej w systemie ProDec pozwala zapisywać reguły decyzyjne w postaci czytelnych zdań zbliżonych do języka naturalnego. Dzięki temu można łatwiej zrozumieć i analizować zasady podejmowania decyzji oraz doskonalić przyjęte reguły. 

Nie ulega wątpliwości, że opracowanie reguł decyzyjnych to duży wysiłek. Samo podjęcie tego wysiłku może jednak przynieść istotne korzyści. Często podczas analizy ujawniane są różne braki i pojawiają się nowe propozycje rozwiązań.

Ważne jest aby w procesie opracowywania reguł decyzyjnych brało udział wiele osób aby móc konfrontować różne opinie i oceny na temat określania stopnia zagrożenia oraz najlepszych działań zapobiegawczych. Zapisywanie reguł decyzyjnych w sformalizowany sposób i opracowywanie uzupełniającej dokumentacji w postaci plików dostępnych w Internecie ułatwia komunikację oraz wykrywanie różnego rodzaju braków w przygotowaniu.

ProDec - procedury decyzyjne (editor i tester)
Wersja: 1.0
Opracowano w ramach projektu TransCat

Contact: Andrzej Ziolkowski
A.Ziolkowski@wit.edu.pl