АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ПРИРОДНО - ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ
Шипика А.С., Скринецкая И.В., Приходько С.Ю.
Донецкий национальный технический университет
В современных условиях быстро меняющихся экономических, политических и других факторов значительно возросла цена ошибок в управлении организационными системами. Все подобные системы включают как природные, так и технические объекты, а параметры их функционирования существенно зависят от пространственного расположения и от времени. В статье рассмотрены вопросы оценки надежности и безопасности функционирования ОАО «Стирол».
Важными критериями оценки эффективности управления ППК являются надежность и безопасность их функционирования. Существуют различные подходы к формализации этих критериев. Одним из плодотворных направлений представляются логико-вероятностные методы. При этом надежность и безопасность оцениваются с опорой на структурную схему объекта [1-7].
На основе структурной схемы для построения логической модели надежности (ЛМН) составляется функция алгебры логики (ФАЛ), связывающая состояние элементов с состоянием системы и называемая функцией работоспособности системы (ФРС) или структурной функцией системы:
Предполагается, что система может находиться только в двух состояниях: в состоянии полной работоспособности или в состоянии полного отказа.
Построение логической модели безопасности (ЛМБ) ССС начинается с описания сценария опасного состояния или, в более употребительной терминологии, сценария аварии. Элементами сценария являются инициирующие (опасные) события или инициирующие условия (ИС или ИУ), а также связи (причинно-следственные) между ними. Далее для краткости будем использовать только термин "ИС". Сценарий в ЛМБ, как и структурная схема в ЛМН, имеет графическую форму представления. В работах этой школы отмечается, что "описание сценария представляет наибольшую трудность и является творческим процессом, который не имеет алгоритма".
На основе графического описания (сценария) составляется аналитическое описание (ФАЛ) в форме логической функции опасности системы (ФОС), аргументами которой выступают инициирующие события, приводящие к чрезвычайной ситуации. Инвертируя ФОС, можно получить функцию безопасности системы.
Таким образом, ЛМН и ЛМБ записываются в форме ФАЛ. Затем полученные ФАЛ преобразуются в вероятностные функции надежности и безопасности системы.
Итак, для построения ЛМН или ЛМБ необходимо описать структуру системы и выявить возможные сценарии аварии. Этап формирования этих исходных структур и, особенно, сценариев – как для действующих, так и (тем более) для проектируемых систем – является наиболее сложным, творческим, и, как следствие, наименее автоматизированным и обоснованным. Поскольку построение указанных структур осуществляется "вручную", эвристически, ясно, что детальность и достоверность полученных схем ограничены возможностями экспертов. Трудности многократно возрастают, когда надо сгенерировать и исследовать различные варианты построения системы. В связи с изложенным представляется разумным распространить ситуационный подход к моделированию на проблему исследования надежности и безопасности ППК.
Поскольку в ССМ все связи между элементами ППК формализуются в виде ресурсов, для создания ЛМН каждому ресурсу приписывается логическая переменная, отражающая структурную надежность его получения. Для ресурсов, поступающих извне, она задается априорно, а для ресурсов, формируемых элементами СКМ, - вычисляется в ходе моделирования. При этом соответствующая ФАЛ учитывает надежность элемента СКМ, вырабатывающего этот ресурс, надежность обеспечения самого элемента входными ресурсами и возможность отказов при передаче ресурсов между объектами, которые по определению имеют в СКМ географическую привязку.
При разработке ЛМБ влияющие на безопасность ресурсы должны быть атрибутированы диапазонами безопасного функционирования SR (Safety Range). Выход за пределы соответствующего диапазона интерпретируется как функционально-порожденное инициирующее событие (ИС1). Таким образом, модели ИС1 в СКМ рассматриваются как расширение моделей нормального функционирования элементов ППС, что не противоречит здравому смыслу. Специфицированы еще две категории ИС, появление и развитие которых зависит от пространственных и/или временных характеристик элементов СКМ. Они названы пространственно-порожденными (ИС2) и время-порожденными (ИС3), возможны и их комбинации (ИС4). Условия их возникновения формируются экспертным путем в функции от времени и доступных в СКМ графических характеристик элементов.
Основное отличие рассматриваемого подхода от известных методов создания логических моделей надежности и безопасности с опорой на структурную схему состоит в том, что детальность моделирования повышена до отдельного ресурса, то есть любого материального или информационного сигнала, которым могут обмениваться элементы объекта. Это, по мнению авторов, позволяет существенно повысить достоверность результатов анализа логической модели за счет более полного учета взаимосвязей элементов ППК, особенно в части выявления сложных (многократных) комбинаций отказов этих элементов.
К преимуществам представленного выше подхода можно отнести следующее:
- возможность спецификации и формализованного описания типичных для ППК классов функционально-, пространственно- и время-порожденных отказов, инициирующих событий и инициирующих условий, появление и развитие которых зависит от пространственно-временных характеристик элементов ППК;
- принципиальную возможность оценки частичной работоспособности фрагментов ППК при отказе тех или иных элементов, с учетом текущих количеств материальных ресурсов и скорости их расходования для расчета допустимого времени восстановления отказавших элементов и анализа последствий отказов;
- возможность формирования и исследования альтернативных логических моделей, что актуально при проектировании ППК, при создании систем управления надежностью и безопасностью ППК;
- в практическом аспекте – использование единой инструментальной среды и методологии для моделирования как нормальных, так и критических режимов функционирования ППС, что позволяет аккумулировать разнородные знания об объекте исследования с целью их комплексного применения.
Следует отметить, что вопросы оценки вычислительной сложности рассматриваемых методов построения логических моделей надежности и безопасности ППК требуют более детального анализа, хотя в ходе разработки ССМ доказана полиномиальная (квадратичная) сложность основных алгоритмов анализа ситуаций в СКМ.
Вопросы количественной оценки надежности и безопасности ППК на базе представленных выше методов генерации их логических моделей также заслуживают отдельного рассмотрения. В принципе для этого применимы и логико-вероятностные методы. Однако из-за известной проблемы недостаточности доступных исходных данных о ППК для применения вероятностной парадигмы представляются предпочтительными методы интервальных оценок.
В качестве приложения рассмотренного подхода покажем концептуальную модель управления промышленной безопасностью крупного предприятия. Основными регулируемыми параметрами в модели являются количественные характеристики процессов проявления потенциальных опасностей. Это позволяет объединить разнородные (промышленные, природные, социальные) компоненты опасностей и заложить основы для создания интегрированных региональных систем поддержки принятия решений по управлению безопасностью.
Для реализации предлагаются две системы управления промышленной безопасностью на примере ОАО «Стирол». Первая представляет собой пилотный вариант автоматизированного рабочего места специалиста по управлению промышленной безопасностью химического комбината. Проведение комплексного анализа опасных объектов и процессов является основной решаемой задачей системы. Исходными данными служат характеристики персонала, параметры оборудования, текущее состояние вещества и др. Результат работы – оценка состояния безопасности опасных объектов и процессов. Система также предлагает комплекс мероприятий по предотвращению предаварийных ситуаций и возможных последствий аварий или инцидентов. На уровне интерфейса можно изменять структуру дерева опасных объектов и процессов, а также их внутренние настройки и установки.
Вторая система позволяет провести комплексную оценку устойчивости ОАО «Стирол» к воздействию чрезвычайных ситуаций техногенного, природного, социального характера, а также к воздействию первичных и вторичных факторов поражения в военное время. Исходными данными служат характеристики всех опасных объектов в пределах одного химического комбината. В результате работы системы оператор (эксперт) получает следующую информацию: из всего списка объектов выделяются только те, которые могут вызывать наиболее опасные чрезвычайные ситуации (относятся к классу факторов поражения). Список выбранных объектов классифицируется по представленной выше методике и разбивается на группы опасных объектов. На основе информации об опасных объектах составляются схемы опасных технологических процессов, моделируются различные сценарии аварий и катастроф. Результаты расчетов последствий передаются оператору (рис.1).
Рисунок 1. Схема опасных технологических процессов
В рамках представленного научного направления показано решение научно-технической проблемы интеграции различных форм представления знаний с целью применения современных методов исследования и прогнозирования поведения сложных нестационарных промышленно-природных комплексов как многоуровневых многокомпонентных пространственных объектов.
Рассмотрена информационная технология логико-аналитического моделирования ситуаций и сценариев поведения промышленно-природных комплексов в дискретизированном пространстве состояний, обеспечивающая объективный анализ ситуаций и имитацию последствий принимаемых решений с учетом требования надежности и безопасности. Технология ситуационного моделирования предоставляет ЛПР алгоритмическую поддержку для обоснования его решений об изменении или сохранении структуры подчиненного ему объекта и в этом смысле является альтернативой экспертному совету. Она обеспечивает интеграцию уже проверенных надежных решений и анализ возможных сценариев поведения ППК.
Рассмотренный подход к моделированию ППК апробирован для решения следующих задач: моделирования динамики техногенного воздействия на лесные экосистемы; прогноза удароопасности породного массива в зоне проведения горных работ; анализа вариантов развития энергетической системы региона; исследования технологических процессов обогащения минерального сырья; разработки управления промышленной безопасностью крупного предприятия. Имеющийся опыт применения ситуационного подхода в моделировании различных аспектов функционирования ППК показывает, что этот подход может представлять интерес в научно-практической деятельности по исследованию промышленно-природных комплексов и поддержке принятия решений по управлению объектами такого класса. ССМ может служить основой для разработки многоуровневых систем регионального управления, работающих в единой среде и не предъявляющих жестких требований к компьютерной квалификации пользователей.
Список литературы: