Фундаментальные и прикладные исследования рисков и безопасности на федеральном и региональном уровнях

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Фролов К.В., Махутов Н.А.

УДК 656.25

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РИСКОВ И БЕЗОПАСНОСТИ НА ФЕДЕРАЛЬНОМ И РЕГИОНАЛЬНОМ УРОВНЯХ

Постановка междисциплинарных фундаментальных исследований по проблемам теории безопасности сложных систем и защиты от кризисных и катастрофических ситуаций в Академии наук СССР состоялась по инициативе Президента АН СССР акад. А.П. Александрова после тяжелых катастроф накануне последнего десятилетия XX века (АПЛ «Комсомолец», Чернобыльская АЭС, Спитакское землетрясение, взрыв на магистральном продуктопроводе ШФЛУ под Уфой).

Для постановки и координации комплексных научных и прикладных исследований в Академии наук СССР была создана Рабочая группа при Президенте академии наук по анализу риска и проблем безопасности, функционирующая до настоящего времени.

На протяжении двух десятилетий в поисковых и прикладных исследованиях по проблемам риска и безопасности самое активное участие принимали ведущие ученые и генеральные конструкторы академики и члены-корреспонденты Российской академии наук и региональных Отделений РАН (Сибирское, Дальневосточное, Уральское) и Научных центров РАН.

Результаты фундаментальных, поисковых и прикладных исследований использовались в крупнейших национальных программах и проектах, в атомной и термоядерной энергетике, авиационной и ракетно-космической технике, в оборонной промышленности, в энергетическом, транспортном, химическом и нефтегазовом комплексах.

Исключительно важным для развития научно-технического прогресса и повышения безопасности природно-техногенной сферы страны было и остается участие в деятельности Рабочей группы при Президенте РАН по анализу риска и проблем безопасности и в практической реализации новых международ-

ных разработок руководителей МЧС России, Ростехнадзора, Минобрнауки России.

Структура постановки и комплексного решения научных и прикладных проблем безопасности в нашей стране показана на рис. 1. Общую координацию этих исследований и разработок осуществляет Совет Безопасности Российской Федерации, решения которого утверждаются Президентом России в соответствии с Конституцией Российской Федерации. Исходя из концепции национальной безопасности страны рекомендации Совета Безопасности реализуются через Межведомственные комиссии (МВК) и Научно-технические советы ведомств.

Фундаментальные исследования по базовым закономерностям формирования и реализации опасностей, угроз, вызовов, кризисов и катастроф во всех жизненно важных сферах в соответствии с поручением Президента и Совета Безопасности в рамках своих проблемных тематических планов выполняет Российская академия наук.

Рис. 1. Национальная и межведомственная организация работ по научному обеспечению комплексной безопасности.

Проведение поисковых и прикладных исследований проблем безопасности в рамках Федеральных научно-технических и образовательных программ возложено на Минобрнау-ки России. Комплексные исследования проблемы снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера с учетом ограниченных переносов по Федеральной целевой программе 2001-2010 гг осуществляет МЧС России, как государственный заказчик и координатор межведомственных разработок. Основные ведомства страны (Минобороны России, Минпромэнерго России, Минприроды России, Минтранс России. Мининформсвязи России) являются как участниками реализации соответствующих Федеральных программ, так и раз-работчикамии отраслевых научно-технических планов по своим направлениям в сфере безопасности.

В соответствии с изложенным выше фундаментальные, поисковые и прикладные исследования федерального уровня по проблемам безопасности в социальной, природной и техногенных сферах жизнедеятельности являются междисциплинарными по своей научной постановке и межведомственными по механизмам реализации. В Российской академии наук к настоящему времени сформировалась и получает дальнейшее развитие организационная структура таких междисциплинарных исследований (рис. 2).

Общую координацию основных федеральных разработок около 20 лет осуществляет Рабочая группа при Президиуме РАН по анализу риска и проблем безопасности и в последние годы Центр исследований проблем безопасности РАН. Они ведут внутри-академическую и межведомственную координацию фундаментальных и поисковых исследований. В состав Рабочей группы и Центра входят руководители и специалисты ряда ведомств (МЧС России, Минобороны России, Ростех-надзора и др.), что позволяет учитывать особенности конкретных задач обеспечения безопасности в отраслях и регионоах.

К настоящему времени на базе выполненных в РАН и в других ведомствах исследований сложилось общее представление о фундаментальных основах теории катастроф (рис.

3).

Ядром этих основ с учетом анализа наиболее тяжелых катастроф в техносфере (на атомных станциях ТМА в США, ЧАЭС в СССР, на

атомных подводных лодках «Трэшер» - США, «Комсомолец» -СССР, на космических кораблях «Челленджер», «Колумбия» - США, на нефте-газо-химических объектах в США, Индии, Мексике, Норвегии, России) стали физика катастроф, химия катастроф и механика катастроф. Их обобщением явилась математическая теория катастроф с введением в нее теории бифуркаций, некорректных и обратных задач, синергетики, специальных функций с обострениями и функций распределения с тяжелыми хвостами.

Анализ проблем безопасности и постановка междисциплинарных исследований по линии Рабочей группы при Президенте РАН относились к решению таких комплексных задач, как:

-защита Земли от столкновений с космическими объектами и космический мониторинг объектов;

-гидрологические, климатологичес-

кие, биологические эффекты течений Эльниньо;

-аэродинамические, навигационные, технологические, оборонные аспекты горизонтального и вертикального старта ракетно-космических систем;

-электрофизические, радиолокационные, лазерные технологии управления высокоскоростными процессами движения, повреждения и разрушения;

-основы безаэродромной авиации и комбинированных летательных аппаратов;

-развитие методов анализа сложных динамических процессов неустойчивости, турбулизации, бифуркаций для раннего предупреждения аэрогидродинамических, вибра-ционно-резонансных и сейсмических чрезвычайных ситуаций;

-многопараметрический анализ физических, химических, электромагнитных, тепловых, виброакуститческих полей при исследования роли человеческого фактора;

-основы физического и математического моделирования, диагностики и мониторинга, сценариев и рисков возникновения и развития аварий и катастроф в высокорисковых объектах.

Результаты таких междисциплинарных исследований использовались при разработках концепций государственных, федеральных, отраслевых и международных научно-технических программ.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Российская академия наук

Фундаментальные междисциплинарные исследования проблем безопасности

1

Проблемный план по приоритетным направпениям фундаментальных исследозаний федерального уровня

I

Рабочая группа при Президенте РАН по анализу риска и проблем безопасности

I

Центр исследований проблем безопасности РАН

I -

Отделения РАН

Естественные науки Технические науки

1 1

Природная сфера Техногенная сфера

1 1

Отделение математических наук Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления

1 1

Отделение физических наук Отделение химии и наук о материалах

I !

Отделение химии и наук о материалах Отделение наук о Земле

I 1

Отделение биологических наук Отделение информа -ционных технологий и вычислительных систем

1 1

Отделение наук о Земле Отделение физических наук

1

Общественные науки

]

Социальная сфера

X

Отделение общественных наук

Отделение историко-филологических наук

Отделение математических наук

Рис. 2. Структура организации фундаментальных исследований по проблемам федеральной и региональной безопасности.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рис. 3. Основы теориии катастроф и анализа их сценариев.

Одной из первых таких программ была Государственная научно-техническая программа «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природно-техногенных катастроф» (ГНТП «Безопасность» - 1991-2002 гг.), трансформированная в 2002-2004 гг. в подпрограмму и комплекс проекта Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2002-2007 гг.). Параллельно с ГНТП «Безопасность» шла реализация программ по Глобальным изменениям окружающей среды и климата, по природной и техногенной безопасности, по ядерныой и радиационной безопасности. Важное значение для нашей страны имело создание и развитие такой основополагающей государственной структуры, как Государственная комиссия по чрезвычайным ситуациям (СССР), трансформированная в последующем в Комитет и Министрество по чрезвычайным ситуациям (МЧС России). На основе предшествующих комплексных научных и прикладных разработок реализуется Федеральная целевая программа «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации» 2001-2010 гг. и «Межгосударственная программа совместных научных исследований организаций государств-участников СНГ по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций» (2003-2010 гг.). В этих программах нашли свое отражение проблемы безопасности, решав-

шиеся на различных уровнях, начиная от планетарных и кончая объектовыми.

На базе анализа отечественного и зарубежного опыта была разработана классификация чрезвычайных ситуаций (рис. 4).

Для обеспечения техногенной безопасности в XXI веке должно быть учтено, что в мировой техногенной гражданской и оборонной сфере насчитывается до 103 объектов ядерной техники мирного и военного назнечения, более 5х104 ядерных боеприпасов, до 8х104 тонн химических вооружений массового поражения, сотни тысяч тонн взрывопожароопасных, сильнодействующих ядовитых веществ, десятки тысяч объектов с высокими запасами потенциально опасной тепловой, электромагнитной и кинетической энергии газов и жидкостей. На рис. 4 для семи установленных классов (1 — 7) катастроф показаны величины ущербов и и вероятностей Р для различных объектов техносферы при возникновении природных и техногенных катастроф.

Вероятности Р возникновения трех наиболее тяжелых классов катастроф в мирное время составляет от (2-3)х10-2до 0,5-1)х10-1 1/год, а ущербы и соответственно от 1011 до 109у.е./ка-тастрофа. При этом их риски И изменяются в пределах от 104до 1010 у.е./год.

По результатам выполнения фундаментальных и прикладных разработок к настоящему времени опубликованы серии многотом-

Рис. 4. Ущербы и периодичность природных и техногенных катастроф.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ных публикаций, научно-методических и научных материалов (рис. 5).

Специально проблемы региональной безопасности рассмотрены в четырех томах серии «Безопасность России» (общие проблемы, проблемы безопасности мегаполисов, Москвы, Красноярского края).

Так как последствиями природно-техно-генных катастроф, изучаемых в рамках фундаментальных методов и моделей математики, физики, химии, механики являются ущербы, наносимые человеку, обществу и государству, то в последнее десятилетие начата разработка социологии катастроф. Это позволяет замкнуть цепь исследований по общей теории рисков всех слагаемых социально-природ-но-техногенных процессов: отказов, повреждений, угроз, вызовов, кризисов, катастроф. В ней ведущее место занимают математические, физические, химические, механические,био-логическиегеофизические и социальные модели, уравнения, параметры и кримтерии для комплексного анализа сценариев указанных процессов. В этих сценариях выделяются три основные фазы: инициирование катастроф, развитие катастроф и последствия катастроф. Наиболее очевидными для исследований, моделирования и измерений являются последствия катастроф. Тяжесть последствий катастроф стала мощным импульсом для осуществления первоочередных разработок по созданию российских сил и средств ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (РС ЧС) на современной научно-методической базе, сформировавшейся в нашей стране усилиями МЧС России, РАН, Минобрнауки, Минприро-

М НО ГОТОМ Н ЫЕ СЕРИ И ИЗДАН И Й

«БЕЗОПАСНОСТЬ РОССИИ» - 30 томов

«ПРИРОДНЫЕ ОПАСНОСТИ РОССИИ» - 6 томов •ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО СНГ ПО ПРОБЛЕМАМ ЧС» - 4 тома Федеральные руководящие документы - 4 тем« Публикации Центра стра1 в ический исслед о |аний МЧС России Научно-техн»> ¿ские документы - 28 том,. Вндеотека чрезвычайных ситуаций - 4300 сюжетов

Рис. 5. Фундаментальные многотомные публикации, руководящие документы и видеоматериалы по проблемам безопасности.

ды, Минобороны, Минтранса, Минпромэнер-го, Ростехнадзора. Аналогичные разработки ведутся во всех промышленно развитых странах.

Регулирование безопасности на федеральном, региональном, отраслевом и объектовом уровнях в настоящее время осуществляется на базе ряда федеральных законов — о безопасности; о чрезвычайных ситуациях; о промышленной безопасности; о техническом регулировании; о ядерной и радиационной безопасности; о безопасности гидротехнических сооружений; о безопасности на транспорте.

Исключительно важным для нашей страны стало решение совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации и президиума Государственного совета Российской Федерации от 13.11.2003 г. (Протокол №4).

Исследованиями выяснена исключительно важная роль для предотвращения и предупреждения ЧС начальных стадий их инициирования и развития. В большинстве техногенных, природно-техногенных и социально-при-родно-техногенных катастроф начальные стадии формирования инициирующих процессов связаны с нахождением начальных повреждений в несущих конструкциях высоко-рисковых объектов. Они создают цепочку развивающихся опасностей «повреждения ^ отказы ^ разрушение ^ аварии ^ катастрофы». Наибольшие ущербы и риски относятся к последним элементам этой цепочки, когда наблюдаются обрушения, крушения, пожары, взрывы, выбросы химически, биологически, радиаци-онно опасных веществ. Эти стадии описываются уравнениями физики, химии, механики катастроф.

Первые инициирующие стадии ЧС описываются преимущественно с позиций механики катастроф, получившей свое развитие в ряде ведущих институтов РАН (рис. 6). Базовые требования механики катастроф и техногенной безопасности сводятся к традиционным и новым методам анализа в последовательности «прочность ^ ресурс ^ надежность ^ живучесть ^ риск ^ безопасность» Однако степень применения на практике указанной последовательности снижается на несколько (до четырех) порядков по мере того, как осуществляется переход от анализа прочности в штатных ситуациях к анализу рисков и безо-

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

10

£

та &

I

о;

Г ?

О) Г:

К &

-о X.

а 5

10"

10"

10

10

¡3 С1

¡2 о Й о 1 ¡2 о о

X о <4 с о Риск  у СИ * О & I 3- о

(Ъ иэ О <2

Новые методы Традиционные методы

<^2! Направление развития нормирования

Перспективное направление нормирования Е=£> Рис. 6. Структура и развитие методов и исследований нормирования процессов развития катастроф в техногенной сфере.

пасности в аварийных и катастрофических ситуациях.

Современное развитие фундаментальной теории безопасности обосновывает необходимость изменения указанного выше традиционного подхода по указанной выше последовательности к новому перспективному направлению. В его основу должны быть положены исходные параметры рисков и безопасности, обосновываемые по критериям живучести, надежности, ресурса и безопасности.

В области промышленной безопасности по Федеральному закону 1997 г. фундаментальные научные разработки нашли свое отражение в нормативно-правовой базе, созданной и развиваемой Ростехнадзором и НТЦ «Промышленная безопасность» (рис. 7).

Система оценки соответствия требованиям безопасности опасных производственных объектов включает декларирование и экспер-

Рис. 7. Структура нормативной базы и механизмов анализа и обеспечения безопасности промышленных объектов.

тизу условий возникновения аварий и катастроф с применением критериев риска. При этом в анализ безопасности вводятся базовые уравнения физики, химии и механики аварийных ситуаций — разрывов, испарений, горения, взрывов опасных жидкостей и газов, разрушения сосудов давления и трубопроводов, грузоподъемных механизмов, обвалов горных выработок. В эту систему входят организационные и экономические механизмы повышения безопасности, государственного, ведомственного и объектового надзора и контроля. Параллельно с этим МЧС России выдвигает научно-обоснованные требования готовности сил и средств ликвидации ЧС на всех трех стадиях по рис. 8.

Новый подход к научному обоснованию комплексной безопасности выдвинут законодательством в 2002 году. в области технического регулирования. При этом научной базой технического регулирования в обязательном порядке становятся риски, затрагивающие механические, критические, химические, биологические, радиационные, взрывоопасные, пожароопасные, электромагнитные аспекты безопасности. Усилиями Минпромэнерго, РАН, Ростехрегулирования, МЧС и других ведомств создаются научно-методические базы по оценке рисков. Для такой оценки предлагается использовать детерминированные, статистические вероятностные, логико-вероятностные, имитационные методы, пригодные для большинства объектов технического регулирования.

Из объектов технического регулирования и опасных производственных объектов в 2003 г. решением Совета Безопасности Российской Федерации и Президиума Государственного совета Российской Федерации была выделена особая группа — критически важные для национальной безопасности объекты инфраструктуры. Существо этого государственного решения состоит в обеспечении и повышении защищенности населения и критически важных объектов, включая объекты гражданского (транспортного, энергетического, машиностроительного, строительного, гидротехнического) и оборонного комплексов.

Применительно к гражданскому комплексу с различным набором высокорисковых компонентов научному обоснованию и государственному регулированию подлежат базовые требования к безопасному функционированию критически важных объектов — про-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 8. Структура межотраслевого регулирования безопасности гражданского комплекса по критериям рисков.

чности, ресурс, надежность и живучесть. Эти требования в соответствии с указанным выше решением Совета Безопасности РФ сводятся к определению и нормированию приемлемых и недопустимых рисков.

Применительно к оборонному комплексу (рис. 9) научные проблемы безопасности увязываются с созданием, хранением, утилизацией и уничтожением оружия массового поражения. При этом в качестве основных должны быть приняты угрозы ядерной и химической безопасности для соответствующих госпроектов, а также биологической безопасности. Вопросы безопасных технологий в оборонном

Рис. 9. Структура научных и прикладных задач обеспечения безопасности функционирования оборонного комплекса.

комплексе решаются целой системой исследований, моделирования, расчетов и испытаний опасных процессов, сопутствующих этим технологиям. Результаты фундаментальных исследований и прикладных разработок могут быть распространены на объекты гражданского комплекса — атомную и тепловую энергетику, транспорт, химическую и микробиологическую промышленность.

Существенное усложнение в начале XXI века научных и прикладных задач в обеспечении защищенности критически важных объектов, опасных производственных объектов и объектов технического регулирования связано с террористическими и несанкционированными воздействиями на них (рис. 10). Эти воздействия могут приводить к чрезвычайным ситуациям на любой стадии жизненного цикла объекта и перераспределять в сценариях ЧС роль инициирующих и поражающих факторов — первичных, вторичных и каскадных. При этом террористические и несанкционированные воздействия могут носить характер традиционного, технологического и интеллектуального терроризма.

В первом случае основные поражающие факторы взрывов, пожаров носят первичный характер. При актах технологического терроризма основные ущербы наносятся при вторичных воздействиях разрушающихся, горящих и взрывающихся технологических установок, против которых были направлены ини-

Рис. 10. Структура видов воздействий и составных.

циирующие воздействия терактов. Если террористические акты были запланированы и реализованы через системы управления и регулирования объектами, то основные ущербы наносятся каскадными поражающими факторами.

Разработки перечисленных выше научных проблем федерального уровня начаты совместно с Российской академией наук, МЧС России, институтами силовых ведомств. Они получили свое отражение в публикациях на рис. 5.

Так как проблемы безопасности социаль-но-природно-техногенной сфер жизнедеятельности на границе ХХ и XXI веков приобрели глобальные масштабы и трансграничные переносы опасностей и ущербов стали предметом забот мирового сообщества, то постановка новых задач в области фундаментальных и прикладных исследований этих проблем в настоящее время носит международный характер (рис. 11). В первую очередь, это относится к усилению взаимодействия государств-членов СНГ по линии Межгосударственного совета по чрезвычайным ситуациям. Координацию этих работ осуществляет Научный совет при МГС по ЧС, а сами работы реализуются через Межведомственную программу научных исследований.

На протяжении 10 последних лет важная роль в международном научном сотрудничестве принадлежит Академиям наук России и США ( во взаимодействии с Американским обществом инженеров-механиков — ASME), а также Национальным обществам России и

Рис. 11. Направления и участники международного сотрудничества в области безопасности и рисков.

США по анализу риска. В европейском масштабе такие исследования проводятся совместно с Научно-техническими комитетами ЕЭС, НАТО, Европейским обществом по целостности конструкций (ЕБК), в рамках Частично-открытого соглашения (ЧОС).

Таким образом, проблемы обеспечения и повышения безопасности жизнедеятельности к началу XXI века создали основу фундаментальных, поисковых и прикладных исследований в междисциплинарной постановке с использованием количественных критериев риска возникновения и развития все новых опасностей, угроз, вызовов, кризисов и катастроф. Российская академия наук совместно с МЧС России, Минобрнауки России, другими ведомствами и надзорными органами призваны перевести управление и создать научные основы для перехода к безопасному социально-экономическому развитию страны и повышению защищенности населения и критически важных инфраструктур от указанных важных процессов.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Многотомное издание. М. МГФ «Знание», тт. 1 - 30, 1997-2007 гг.

2. Природные опасности России. Многотомное издание. М.: «Крук», тт. 1-6, 1999-2003.

3. Россия в борьбе с катастрофами. Под общей ред. С.К.Шойгу. М.: «Деловой экспресс», т. 1-3, 2007.