Способ и система прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени
METHOD AND SYSTEM FOR PREDICTION OF CONSEQUENCES OF ACCIDENTS INVOLVING HAZARDOUS SUBSTANCES ON HAZARDOUS PRODUCTION FACILITIES IN REAL TIME

Изобретение относится к области информационных систем промышленной безопасности, связанных с автоматизацией действий диспетчерских служб опасных производственных объектов и поддержки принятия решений при возникновении аварии с выбросом опасных веществ.
Уровень техники
Известны способы и системы экологического мониторинга химически опасных объектов [1-3], которые в основном посвящены вопросам расстановки датчиков, отслеживающих/фиксирующих возникновение превышения пороговых концентраций опасных веществ на местности, определения необходимого количества датчиков, интерпретации их показаний с целью установления местоположения облака опасных веществ и возможного места его появления. Указанные способы и системы [1-3] предполагают действия по прогнозированию последствий аварий, однако описание сущности этого действия выходит за рамки указанных изобретений. Особенностями изобретений [1-3] является использование в качестве критерия для запуска прогнозирования исключительно превышение предельно допустимой концентрации (ПДК - максимальная концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний). Обычно ПДК для опасных веществ характеризуется малыми величинами, определив превышение которых, затруднительно сделать заключение о реальных масштабах и месте аварии. Использование такого критерия актуально для области экологического мониторинга, к которой относятся указанные изобретения, где обычно рассматриваются длительные выбросы из стационарных источников (запланированные выбросы предприятий). Однако, для мониторинга и прогнозирования последствий промышленных аварий, которые характеризуются существенно более тяжелыми исходами, использование в качестве критерия установления аварийной ситуации ПДК является недостаточным. Например, при выбросах взрывоопасных веществ представляет интерес отслеживание концентрации взрывоопасных пределов воспламенения и проведение прогнозирования не только рассеивания, но горения или взрыва облаков топливно-воздушных смесей, т.к. указанный процесс может вызвать существенно более опасные последствия, чем кратковременное отравляющее воздействие на организм.
Более того, запланированные выбросы предприятий и аварийные выбросы опасных веществ могут существенно отличаться по характеристикам распространения. Так, например, запланированные выбросы обычно происходят на значительной высоте, где для улучшения рассеивания опасных веществ в атмосфере их выбрасывают в нагретом состоянии. Исходя из этого, для прогнозирования поведения таких выбросов в атмосфере обычно используют упрощенные «гауссовы» модели рассеивания, которые хорошо описывают распространение газов с плотностью ниже или соответствующей плотности воздуха («легкие» газы). Одна из таких моделей представлена в работе [4]. Аварийные выбросы опасных веществ, напротив, обычно имеют плотность, превышающую плотность воздуха. Для прогнозирования распространения таких веществ необходимо использовать более сложные модели рассеивания, учитывающие, в частности, гравитационное растекание облака, рассеивание облака в вертикальном направлении за счет атмосферной турбулентности, нагрев и охлаждение облака за счет подмешивания воздуха, фазовые переходы в облаке, теплообмен облака с подстилающей поверхностью.
В работе [4] предложен способ экологического мониторинга химически опасных объектов при аварийном выбросе в атмосферу токсичного вещества, в котором используются результаты мониторинга экологической обстановки с использованием системы пороговых датчиков для определения координат центра облака выброса и массы содержащегося в нем токсичного химиката. Определение параметров облака выброса достигается путем решения обратной задачи распространения примеси в атмосфере с учетом граничных условий, которые определяются с использованием датчиков, расположенных последовательно у поверхности земли и на выбранной фиксированной высоте над поверхностью. Установлены аналитические соотношения для расчета координат центра облака и его массы в начальный момент времени. Учитываются моменты времени срабатывания трех датчиков при достижении пороговой концентрации токсичного химиката во фронте надвигающегося облака и моменты времени окончания срабатывания при уменьшении концентрации ниже порогового значения при удалении облака.
Известна также система мониторинга и прогнозирования ущерба в реальном времени [5] в случае утечки опасных химических веществ на промышленном объекте или во время их транспортировки. Эта система рассчитывает концентрацию утечки опасных химических веществ в каждом районе, в котором, как ожидается, будет нанесен ущерб, путем моделирования рассеивания выброса с учетом плана местности вокруг объекта, погодных условий в реальном времени. Эта система мониторинга и прогнозирования ущерба в режиме реального времени [5] может вычислять количество людей, которые, по оценкам, будут подвержены ущербу, и площадь негативного воздействия, учитывая концентрацию опасного вещества и времени ее воздействия с целью предотвращения несчастных случаев.
В рассматриваемых изобретениях [1-5] единственным опасным фактором аварии является токсическое поражение людей, при этом не рассматриваются сценарии аварии с взрывом или горением облаков топливно-воздушных смесей, которые могут приводить к существенному ущербу.
В рассматриваемых изобретениях [1-4] единственным результатом прогнозирования являются зоны загазованности, однако при сопоставлении этих областей с областями пребывания людей может быть определено приблизительное количество лиц, попадающих в зоны поражения. Более того, путем сопоставления зон поражения волной сжатия при взрыве топливно-воздушных смесей и расположения зданий, сооружений и оборудования могут быть определены степени разрушения последних.
Другим важным моментом является то, что система прогнозирования должна получать актуальные сведения из других систем, например, данные о погоде, о технологическом процессе, о показаниях датчиков. Здесь и далее под датчиками подразумеваются устройства, по показаниям которых можно судить о наступлении аварийной ситуации, например, по превышению пороговой концентрации опасного вещества (датчики загазованности), по резкому падению давления в емкости, по иным сигналам от системы противоаварийной защиты и т.д., сигналов возникновения аварии и др. Возможности коммутации с различными источниками данных у систем прогнозирования могут быть либо фиксированными (когда для подключения нового источника данных необходима переработка системы прогнозирования), либо настраиваемыми (когда возможность подключения нового источника данных предусмотрена в системе прогнозирования без ее изменения). Все известные системы прогнозирования относятся к первому типу [6-7]. При этом на опасных производственных объектах могут применяться различные источники данных. Переработка системы прогнозирования под каждый объект внедрения является нерациональным шагом, который усложняет дальнейшее обслуживание этих систем. В этом смысле прогрессивным подходом является разработка архитектуры системы прогнозирования по второму типу, который подразумевает, что подключение к новым источникам данных является штатной функцией системы прогнозирования.
Основным назначением системы прогнозирования является не только информирование диспетчера о возможных последствиях аварии (как в изобретениях [1-5] и программных средствах [6-7]), но и автоматизация его действий по выбору сценария оповещения и передаче результатов прогнозирования в диспетчерские службы МЧС, Ростехнадзора, региональной власти и органов местного самоуправления. Для выполнения этих действия система прогнозирования должна обладать возможностями взаимодействия с различными системами оповещения и автоматической передачи им результатов прогнозирования.
Однако известные технические решения [1-4] предназначены для оценки последствий запланированных выбросов «легких» газов и не применимы для случаев промышленных аварий с участием опасных веществ. Из-за этого недостатка для случаев промышленных аварий алгоритм определения параметров и местоположения источника выброса изобретения [4] будет выдавать результат с очень большими ошибками, из-за чего он будет непригоден для дальнейшего использования. Способ [4] содержит подробное описание алгоритма определения параметров и местоположения источника выброса для проведения дальнейшего прогнозирования аварии, но при этом самого прогнозирования не касается. Не приводится также описание возможностей и ограничений используемой методики моделирования рассеивания аварийных выбросов в изобретении [5].
Наиболее близким аналогом к рассматриваемому изобретению является способ [4], т.к. он позволяет не только проводить расчеты размеров зон поражения при поступлении сигнала от датчиков опасных факторов о превышении ПДК, но и определять возможное местоположение источника выброса. Однако, в этом изобретении отсутствует учет актуальных данных о параметрах технологического процесса до возникновения аварии для более точного моделирования сценария выброса. Это приводит к снижению эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и системы поддержки принятия решений в случае аварийной ситуации.
Технической целью описываемого изобретения является расширение арсенала средств автоматизации для повышения эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и совершенствования системы поддержки принятия решений при аварийной ситуации путем подачи дополнительно в блок обмена данными сигналов о параметрах технологического процесса (температура, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании), на основании которых обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле параметров опасного оборудования, которые в свою очередь учитываются при проведении вычислений (прогнозирования) в расчетном блоке.
Раскрытие сущности изобретения
Система прогнозирования последствий аварий на опасных производственных объектах с участием опасных веществ в режиме реального времени состоит из следующих основных компонентов: блока исходных данных блока обмена данными о метеоусловиях, показаниях датчиков (здесь и далее под датчиками подразумеваются устройства, по показаниям которых можно судить о наступлении аварийной ситуации, например, по превышению пороговой концентрации опасного вещества, по резкому падению давления в емкости, по иным сигналам от системы противоаварийной защиты и т.д.), параметров технологического процесса, расчетного блока, блока графического интерфейса, модулей связи с внешними системами, блока истории расчетов.
Способ прогнозирования подразумевает использование специальных физико-математических моделей аварийных процессов в расчетном блоке, которые позволяют рассчитывать поступление и рассеивание опасных веществ различной плотности, получать пространственно-временное распределение концентраций опасных веществ в окружающей среде, рассчитывать распределение опасных факторов при диффузионном горении опасных веществ, физических взрывах, взрывах расширяющихся паров вскипающей жидкости, взрывах и горении облаков топливно-воздушных смесей, разлете осколков. Такие модели позволяют применять системы прогнозирования не только в области экологии, но и для оценки последствий промышленных аварий.
Используя указанные модели аварийных процессов, могут быть оценены не только зоны токсического воздействия опасных веществ, но и зоны термического, кинетического, ударно-волнового поражения человека, а также зданий, сооружений.
Применение указанного методического аппарата позволяет, помимо зон распределения концентрации опасных веществ, определить интегральные показатели опасности, такие как: значения токсодозы, вероятности смертельного поражения человека, избыточного давления и импульса на фронте волны сжатия, теплового излучения, а также потенциального риска аварии. Использование различных критериев поражения расширяет возможности для дальнейшей оценки последствий аварий и позволяет более объективно оценить ее негативный результат.
Для получения более подробных оценок последствий аварий способ прогнозирования позволяет в блоке исходных данных задавать места пребывания людей и их количество, в зависимости от времени суток, пути эвакуации, места расположения, типы зданий и других материальных ценностей. С учетом этих данных, а также параметров зон поражения, выполняется определение перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, количества потенциально пострадавших в результате аварии людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности.
Физико-математические модели, реализованные в расчетном блоке, в основном определяют перечень сведений, которые задаются в блоке исходных данных. К ним относятся, в частности параметры технологического процесса (опасное вещество, его количество, давление, температура в аппарате), которые могут изменяться во времени. Для более адекватных оценок последствий аварий перспективно использовать в системе прогнозирования актуальные сведения, полученные, например, из автоматизированной системы управления технологическим процессом.
Интеграция с поставщиками и получателями данных обеспечивается с помощью блока обмена данными, который позволяет работать по универсальному интерфейсу обмена данных со сторонними программами, которые, в свою очередь, обеспечивают поступление сведений в блок обмена данными о текущей погоде, показаниях датчиков, параметрах опасного оборудования, а также прием результатов прогнозирования. Указанные сторонние программы, либо изначально проектируются для работы по универсальному интерфейсу обмена данными, либо разрабатываются модули связи с внешними системами, которые преобразуют формат данных источников к универсальному виду. Такая архитектура позволяет использовать данные о погоде и параметрах технологического процесса в системе прогнозирования из любых сторонних приложений и передавать результаты прогнозирования в системы оповещения, диспетчерские службы МЧС России, органов местного самоуправления и т.д. без внесения изменений в систему прогнозирования, что упрощает ее обслуживание и повышает надежность при работе на опасных производственных объектах (ОПО) различного типа.
Помимо метеоданных и параметров технологического процесса в блок обмена данными могут поступать сигналы из системы обнаружения утечек, либо показания датчиков опасных факторов. Эта информация учитывается при определении сценариев аварии, которые задаются в блоке исходных данных на этапе настройки системы прогнозирования. Если в изобретениях [1-3] прогнозирование выполнялось при превышении предельно допустимой концентрации на датчиках, то в настоящем изобретении применяется более гибкая система. Во-первых, учитывается возможность передачи датчиком двух сигналов превышения пороговых значений концентраций, на которые он настроен. Во-вторых, если датчик позволяет передавать непосредственно значение концентрации опасного вещества, то в системе прогнозирования может быть задано произвольное число условий запуска сценария прогнозирования последствий аварии в зависимости от разных значений концентрации на датчике (например, нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени, летальная концентрация и др.). В-третьих, возможности системы прогнозирования позволяют задавать сложные условия для выявления сценариев аварии: одновременное срабатывание нескольких датчиков в сочетании с параметрами технологического процесса (падения давления или роста температуры в оборудовании). Применение указанных подходов позволяет более точно идентифицировать аварийное оборудование, а также оценить масштаб аварии.
Определенные трудности могут возникнуть при задании условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварии вручную на основе показаний датчиков. В предлагаемом изобретении учитывается возможность автоматизировать этот процесс путем использования технологии машинного обучения. Суть метода состоит в предварительном обучении нейронной сети на основе информации о возможных сценариях аварии и зависимостях концентрации опасных веществ от времени в местах расположения датчиков опасных факторов. Данные о зависимостях концентрации опасных веществ в местах расположения датчиков загазованности получаются на основе физико-математического моделирования процесса рассеивания опасных веществ для различных сценариев аварии. После обучения нейронная сеть становится способной решать обратную задачу: по данным о динамике изменения концентрации опасного вещества на датчиках опасных факторов может быть определен сценарий аварии.
Технический результат от применения способа прогнозирования в части обеспечения подробной информацией о масштабах и возможных последствиях выброса опасных веществ достигается в том, что способ предоставляет диспетчеру данные о местах нахождения людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, потенциально попадающих в зоны поражения, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на объекты защиты.
Под зонами поражения понимаются области распределения опасных факторов аварии, оцененные по детерминированным (летальные концентрации, пороговая и смертельная токсодозы опасных веществ, тепловое излучение, давление и импульс на фронте волны сжатия и др.) и риск-ориентированным критериям поражения.
Технический результат от применения способа прогнозирования в части актуальности результатов прогнозирования, определяемых при помощи методов физико-математического моделирования, обеспечивается наличием последних данных о метеорологических условиях в районе выброса, о параметрах технологического процесса и показаниях датчиков, поступающих из внешних систем.
Технический результат от применения способа прогнозирования в части использования нейронных сетей обеспечивается автоматизацией процессов идентификации сценария аварии на основе показаний датчиков. В противном случае, для решения этой задачи необходимо использовать методы экспертной оценки, что при наличии большого количества датчиков опасных факторов и возможных сценариев аварии является довольно трудоемкой процедурой.
Технический результат от применения системы прогнозирования последствий аварий, построенной на основе описываемого способа прогнозирования, заключается в том, что система прогнозирования последствий аварий автоматизирует процессы: сбора информации диспетчером, моделирования аварийной ситуации в реальном времени и прогноза ее развития, что позволит принимать обоснованные на объективных данных организационные решения и оперативно передавать информацию о возможной аварии и масштабе ее последствий во внешние системы (например, в систему оповещения) по команде диспетчера или автоматически, тем самым повышая эффективность реагирования во время чрезвычайной ситуации.
Технический результат, связанный с возможностью интеграции с поставщиками и получателями данных без внесения изменений в систему прогнозирования, обеспечивается за счет приведенной архитектуры системы прогнозирования и позволяет ускорить процесс внедрения, упростить процесс дальнейшей модернизации и расширения системы и повысить надежность системы в целом.
Технической целью описываемого изобретения является расширение арсенала средств автоматизации для повышения эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и совершенствования системы поддержки принятия решений при аварийной ситуации путем подачи дополнительно в блок обмена данными сигналов о параметрах технологического процесса (температура, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании), на основании которых обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле параметров опасного оборудования, которые в свою очередь учитываются при проведении вычислений (прогнозирования) в расчетном блоке.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлены составные блоки системы прогнозирования и потоки данных.
Осуществление изобретения
Система прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени состоит из блока 2 обмена данными, блока 1 исходных данных, расчетного блока 3 математического моделирования сценариев аварии и оценки зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания действия опасных факторов на объекты, блока 4 графического интерфейса. Блок 1 исходных данных подключен к блоку 2 обмена данными и к расчетному блоку 3 математического моделирования сценариев аварии, который выполнен с подключением к блоку 2 обмена данными, причем все указанные блоки подключены к блоку 4 визуализации, при этом, блок 2 обмена данными с внешними источниками информации о метеоданных, показаниях датчиков опасных факторов, параметрах технологического процесса, а также внешними системами-получателями результатов прогнозирования выполнен с возможностью обеспечения работы по универсальному интерфейсу обмена данными без привязки к формату конкретного источника или получателя данных.
Блок 2 обмена данными содержит модули 2.1, 2.2 и 2.3 метеоданных, показаний датчиков, параметров технологического процесса и модули 2.4 передаваемых данных (зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания действия опасных факторов на объекты).
Блок 1 исходных данных содержит модули 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6 параметров опасного оборудования, вариантов разрушения оборудования, параметров датчиков, сценариев аварий и критериев для расчета зон поражения, условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварий и численности людей и мест их расположения, а также характеристик зданий и других ценностей. Расчетный блок 3 математического моделирования сценариев аварии и блок 4 графического интерфейса связан с блоком 5 истории расчетов.
Показания датчиков, поступающие в качестве данных из внешних систем 8 в модуль Показания датчиков 2.2 и далее, служат для выявления аварийной ситуации, например, по превышению пороговой концентрации опасного вещества на датчиках загазованности (датчик загазованности - прибор для определения количественного или качественного состава газовой смеси), по резкому падению давления в емкости, по иным сигналам от датчиков системы противоаварийной защиты.
Способ прогнозирования в реальном времени последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах заключается в мониторинге окружающей обстановки, в процессе которого: актуальные данные из внешних систем 8 о метеоусловиях и состоянии атмосферы - скорости и направлении ветра, температуры и влажности воздуха, стратификации атмосферы и о показаниях датчиков {например, загазованности) поступают в блок 2 обмена данными и передаются в блок 1 исходных данных для дальнейшего учета и анализа, в установлении факта аварийного выброса в атмосферу опасных веществ на основании показаний датчиков {например, загазованности) и по результатам анализа этих показаний в модуле 1.5 условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварии блока 1 исходных данных, в прогнозировании методами физико-математического моделирования (далее - прогнозирования) последствий возникшей аварии с помощью рассчетного блока 3 при выявлении факта аварийного выброса на основании актуальных данных, передаваемых в расчетный блок 3 из блока исходных данных 1, в результате которого вычисляются и в блоке графического интерфейса 4 визуализируются параметры зон поражения на плане местности.
Дополнительно в блок 2 обмена данными поступает информация о параметрах технологического процесса (температура, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании), на основании которой обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле 1.1 параметров опасного оборудования, которые в дальнейшем учитываются при проведении вычислений (прогнозирования) в расчетном блоке 3.
Процесс анализа и идентификации аварийного выброса, опасных веществ в модуле 7.5 условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварий блока 1 исходных данных выполняется с использованием информации, поступающей из модуля 2.2 показаний датчиков о превышении на датчиках значений опасных факторов, в том числе предельно допустимой концентрации, смертельной концентрации, нижнего и верхнего концентрационного предела распространения пламени вещества, а также информации из модуля 2.3 параметров технологического процесса блока 2 обмена данными о превышении допустимых пределов параметров технологического процесса.
Определение условий автоматического запуска моделирования сценария аварии на основе данных модуля 2.2 показаний датчиков может осуществляться не только вручную путем задания условий в модуле 1.5 условий запусков сценариев прогнозирования последствий аварий, но и с помощью нейронной сети, предварительно обученной по результатам физико-математического моделирования аварийных процессов с участием опасных веществ.
В расчетном блоке 3 выполняется определение пространственно-временных характеристик рассеивания смесей опасных веществ с воздухом произвольной плотности, в том числе парокапельных взвесей. В расчетном блоке 3 выполняется оценка последствий для случаев рассеивания токсичных и высокотоксичных веществ, а также для рассеивания и последующего взрыва (или горения) облаков топливно-воздушных смесей, диффузионного горения опасных веществ, физических взрывов, взрывов расширяющихся паров вскипающей жидкости, разлета осколков.
В расчетном блоке 3 выполняется определение параметров зоны поражения по концентрации, пороговой и смертельной токсодозе, давлению и импульсу на фронте волны сжатия, тепловому излучению, по вероятностным критериям поражения и потенциальному риску аварии.
В расчетном блоке 3 также выполняется определение перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, количество потенциально пострадавших в результате аварии людей, определенных с учетом их присутствия на момент аварии, а также эвакуации из места аварии, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей, и материальные ценности, на основе информации модуля 1.6 количество людей и места их расположения и характеристики зданий и других ценностей.
Результаты прогнозирования, передаются во внешние системы 9 через блок 2 обмена данными и модулей 7 связи с внешними системами заинтересованным лицам или службам опционально в виде сообщений о завершении моделирования очередного сценария и результатов прогнозирования аварии в виде параметров зон поражения, данных о числе попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, а также времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности, определяемых в расчетном блоке 3.
Исходная информация от внешних систем 8 о метеоданных, показаниях датчиков опасных факторов, параметрах технологического процесса передается в существующие отдельно от системы прогнозирования модули 7 связи с внешними системами, в которых происходит преобразование информации из ее исходных форматов в единый формат прокола 6 обмена данными и передача преобразованной информации в блок 2 обмена данными, аналогично и исходящая из системы прогнозирования информация передается в модули 7 связи с внешними системами, где она преобразуется в форматы внешних систем и отправляется этим адресатам. С учетом такой компоновки для обеспечения подключения системы прогнозирования к новому источнику данных нет необходимости модифицировать саму систему прогнозирования, достаточно лишь разработать дополнительный модуль 7 для преобразования данных и подключить его к системе прогнозирования штатными средствами.
В системе прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени предусмотрены два режима работы: режим предварительной настройки и режим мониторинга. В первом режиме с помощью блока 4 графического интерфейса пользователь вносит исходные данные для работы системы (параметры опасного оборудования, варианты разрушения оборудования, параметры датчиков, сценарии аварии и критерии для расчета зон поражения, условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий, число людей и места их расположения, характеристики зданий и других ценностей), сохраняемые в блоке 1 исходных данных, а также настраивает подключение к внешним системам 8 и 9 (источникам метеоданных, показаний датчиков опасных факторов, параметров технологического процесса, получателям результатов прогнозирования) блока 2 обмена данными. В режиме мониторинга в блок 2 обмена данными поступает информация об изменяющихся параметрах и передается в блок 1 исходных данных для учета и анализа, а также в блок 4 графического интерфейса для отображения пользователю. Если в результате анализа в блоке 1 исходных данных произошло выполнение условия запуска одного или нескольких сценариев аварии блок 1 исходных данных, запрашивает через блок 4 графического интерфейса подтверждение пользователя на выполнение расчетов, и в случае разрешения пользователя (либо при истечении времени ожидания ответа) передает в расчетный блок 3 необходимую для вычислений информацию и команду на запуск расчета, после выполнения вычислений расчетный блок 3 передает результаты расчета (зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания действия опасных факторов на объекты) в блок 4 графического интерфейса для отображения пользователю, а также в блок 2 обмена данными с целью передачи результатов во внешние системы 9.
Расчетный блок 3 помещает информацию о командах запуска на расчет, результаты вычислений и исходные данные, использованные при этом, в блок 5 истории расчетов, содержимое которого может быть просмотрено в блоке 4 графического интерфейса.
Работа с системой прогнозирования осуществляется по следующим этапам:
1. В режиме предварительной настройки системы прогнозирования посредством блока 4 графического интерфейса пользователем осуществляется задание параметров блока 1 исходных данных: в модуле 1.1 параметров опасного оборудования: создается описание оборудования, содержащего опасные вещества на опасном производственном объекте, и его характеристик, добавляется план местности для дальнейшей визуализации результатов расчетов; в модуле 1.6 определяются места пребывания людей, их численность и время пребывания, маршруты эвакуации, места расположения зданий, сооружений, иных материальных ценностей и их конструктивные характеристики; в модулях 1.2 и 1.4 определяются варианты разрушения оборудования (полное разрушение или появление отверстия разгерметизации) и связанные с ними опасные сценарии аварии; в модулях 1.3 и 1.5 определяется перечень датчиков, их расположение на плане местности и условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий, учитывающие показания датчиков и параметры технологических процессов. Условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий могут быть определены вручную, либо с использованием обученной нейронной сети. Настраивается соединение (используются существующие, либо создаются модули 7 связи с внешними системами и указываются настройки для их работы) с источниками данных о погоде, показаниях датчиков, параметров опасного оборудования, настраивается соединение с приемниками результатов прогнозирования 9 (например, системами оповещения). При необходимости проводится обучение нейронной сети на основе зависимостей концентраций в местах расположения датчиков опасных факторов, полученных из результатов физико-математического моделирования возможных сценариев аварии с использованием расчетного блока 3.
2. Система переводится в режим мониторинга. В процессе работы система получает информацию о метеоусловиях, показаниях датчиков, параметрах опасного оборудования от внешних систем 8, поступающую соответственно в модули 2.1, 2.2 и 2.3. При выполнении заданного в модуле 1.5 условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий (превышение концентрации на одном/группе датчиков или других сигналов) система активирует расчетный блок 3 и передает в него данные о текущих метеоусловиях и параметрах опасного оборудования, полученные из модулей 2.1 и 2.3. В случае одновременного выполнения правил запуска нескольких сценариев прогнозирования последствий аварии система обрабатывает каждый сценарий аварии с использованием технологии параллельных вычислений.
3. Расчетный блок 3 выполняет моделирование сценария прогнозирования последствий аварии и позволяет оценить:
- характеристики зон поражения, зависящие от времени, прошедшего от начала аварии и определенные на основе заданных критериев поражения (по концентрации, пороговой и смертельной токсодозе, избыточному давлению и импульсу волны давления, тепловому излучению, вероятностному смертельному поражению человека);
- перечень мест расположения людей, которые могут подвергнуться воздействию опасных факторов аварии;
- численность людей, потенциально попадающих в зоны поражения, в том числе с учетом их присутствия в момент аварии, а также эвакуации из места аварии;
- степень разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей;
- время начала и окончание воздействия опасных факторов на людей, здания, сооружения и иные материальные ценности.
Расчетный блок 3 позволяет моделировать в динамической постановке сценарии аварии, связанные с поступлением опасных веществ различной плотности в атмосферу, а также учитывает наличие аэрозоля в выбросе.
Физико-математические модели аварийных процессов, реализованные в расчетном блоке 3, и связанные с расчетом поступления опасных веществ в окружающую среду, рассеиванием выбросов в атмосфере, взрывами или горением облаков топливно-воздушных смесей, диффузионным горением, разлетом осколков, физическим взрывом, взрывом расширяющихся паров вскипающей жидкости, оценкой степени разрушения зданий базируются на известных, апробированных методиках [10, 11, 12, 13]. Указанные методики позволяют обеспечить технический результат изобретения в части определения параметров зон поражения и перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, количества потенциально пострадавших в результате аварии людей, определенных с учетом их присутствия на момент аварии, а также эвакуации из места аварии, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей, здания, сооружения и иные материальные ценности.
4. После окончания работы расчетного блока 3: а) результаты передаются в блок 4 графического интерфейса, где они отображаются на плане местности и объединяются в протокол расчета, который сохраняется в блоке 5 истории расчетов; б) система формирует сигнал передачи результатов расчета в модуль 2.4. передаваемых данных (размеры и форма зон поражения, число людей, попавших в зону поражения) в систему оповещения и эвакуации, либо другие внешние системы 9 через модули связи с внешними системами 7.
5. Система переходит к п. 2.
Технический результат при работе предлагаемой системы соответствует перечисленному в разделе «Раскрытие сущности изобретения».
Изобретение может быть осуществлено в виде программно-аппаратного комплекса. Например, программно-аппаратный комплекс TOXI+Прогноз [8, 9], базирующийся на представленном изобретении, интегрируется в существующие системы безопасности ОПО, которые включают в себя систему обнаружения аварийных утечек (датчики, система сбора их показаний), диспетчерскую службу ОПО, автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП), систему оповещения и эвакуации. TOXI+Прогноз содержит аналогичные функциональные блоки и модули, представленные на чертеже (пункты 10-13 формулы). В основе архитектуры TOXI+Прогноз находится СОМ-сервер, который обеспечивает взаимодействие с другими программными и аппаратными средствами и поставщиками данных по универсальному интерфейсу 6 обмена данными. Логику работы с внешними источниками данных выполняют модули 7 связи с внешними системами (СОМ-клиенты, входящие в стандартный набор, либо разработанные специально под требования заказчика), подключение которых осуществляется в TOXI+Прогноз. С помощью таких модулей (пункт 10 формулы) может быть обеспечена работа с широким перечнем внешних систем 8, 9 -источников и получателей данных (базы данных, устройства, поддерживающие ОРС протокол, SCADA-системы, различные типы метеостанций, системы оповещения и т.д.). TOXI+Прогноз имеет расчетный блок 3, позволяющий моделировать рассеивание токсичных и/или взрывопожароопасных веществ, а также взрывы облаков топливно-воздушных смесей (пункт 6 формулы) при возникновении аварии с учетом метеоусловий и параметров опасного оборудования (пункт 1 формулы). Данные о метеоусловиях и параметрах опасного оборудования поступают из внешних систем 8 в модули 7 связи с внешними системами (СОМ-клиенты), которые в свою очередь отправляют полученную информацию по универсальному интерфейсу 6 обмена данными в блок 2 обмена данными, после чего актуализируются сведения блока 1 исходных данных (пункт 11 формулы). Расчетный блок 3 позволяет оперативно (2-3 минуты) моделировать поступление в окружающую среду и рассеивание облаков газов различной плотности, в том числе содержащих аэрозоль (пункт 4 формулы), и определять конфигурацию зон поражения по различным критериям (значениям концентраций, пороговой и смертельной токсодозам, вероятностным критериям, потенциальному риску аварии) (пункт 2 формулы), оценивать число людей потенциально попадающих в эти зоны (пункт 3 формулы). Расчет сценариев прогнозирования последствий аварий может быть инициирован диспетчером вручную, либо автоматически по предварительно заданным условиям запуска путем анализа их выполнения с учетом данных, приходящих из внешних систем от датчиков, автоматизированных систем управления технологическим процессом, систем обнаружения аварийных утечек (пункт 5 формулы). TOXI+Прогноз после моделирования очередного сценария аварии отображает результаты расчетов диспетчеру в блоке 4 визуализации и, используя универсальный интерфейс 6 обмена данными, генерирует событие передачи результатов (размеров зон поражения и числа людей, попавших в зоны поражения) во внешнюю систему 9 оповещения через модули 7 связи с внешними системами (пункт 7 формулы).
Таким образом, с помощью описываемого изобретения обеспечивается преодоление указанных выше недостатков прототипа [4] и других подобных изобретений в частности:
1. путем использования более совершенных физико-математических моделей рассеивания опасных веществ, которые позволят:
- проводить расчеты не только аварийных выбросов «легких» газов, но и выбросов веществ, с плотностью большей плотности воздуха (которые в основном и происходят на ОПО);
- использовать в качестве критерия поражения человека не только критерий ПДК, но и критерии по пороговой и смертельной токсодозе, вероятностному поражению человека, летальной концентрации при распространении токсических выбросов и других критериев поражения в зависимости от типа сценария аварии;
2. путем внедрения дополнительных физико-математических моделей аварийных процессов выполнять расчет зон не только токсического, но и ударно-волнового воздействия, термического поражения при горении и осколочного воздействия;
3. с учетом информации о местах нахождения людей, параметров зданий, сооружений и других материальных ценностей, а также параметров зон поражения могут быть определены места пребывания людей, которые могут попасть в зоны действия опасных факторов, число потенциально пострадавших в результате аварии людей, степень разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, время начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и другие материальные ценности;
4. решить задачу автоматического выявления сценария аварии с использованием технологий машинного обучения (нейронные сети).
5. учесть в расчетах не только актуальные метеоданные, но и параметры опасного оборудования, получаемые из автоматизированной системы управления технологическим процессом до аварии;
6. иметь возможность информировать о результатах прогнозирования не только оператора системы (диспетчера), но автоматизировать его действия по выбору сценария оповещения и передаче результатов прогнозирования в диспетчерские службы МЧС, Ростехнадзора, региональной власти и органов местного самоуправления;
7. иметь возможность интеграции с существующими и новыми источниками метеоданных, показаний датчиков, параметров технологических процессов, системами оповещения без внесения изменений в систему.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, позволит автоматизировать действия диспетчера по идентификации сценария аварии, оперативному прогнозированию его последствий и передаче подробных результатов прогнозирования в вышестоящие инстанции, а также запуска сценария оповещения; обеспечить заинтересованных лиц (диспетчерские службы, подразделения МЧС и др.) подробной и актуальной информацией о масштабах и возможных последствиях выбросов опасных веществ при возникновении аварии; обеспечить возможность интеграции с поставщиками и получателями данных без внесения изменений в систему прогнозирования.
Таким образом, достигается техническая цель описываемого изобретения: расширение арсенала средств автоматизации для повышения эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и совершенствования системы поддержки принятия решений при аварийной ситуации путем подачи дополнительно в блок обмена данными сигналов о параметрах технологического процесса, включающих температуру, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании, на основании которых обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле параметров опасного оборудования, которые в свою очередь учитываются при проведении вычислений в расчетном блоке.
Источники информации:
1. Патент RU 2 385 473 С1, МПК G01W 1/00, G01N 35/00, 27.03.2010. -Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.
2. Патент RU 2 271 012 С2, МПК G01N 35/00, 27.02.2006. - Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.
3. Патент RU 2 270 992 С2, МПК G01N 15/06, оп. 27.02.2006. - Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.
4. Патент RU 2 458 350 С1, МПК G01N 35/00, оп. 10.08.2012. - Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.
5. Патент KR 101926368 (В1), МПК G06Q 50/10; G08B 21/02, 2018-12-07. - REAL-TIME DAMAGE PREDICTION MONITORING SYSTEM FOR HAZARDOUS CHEMICAL MATERIAL LEAKS. (СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПРОГНОЗА ПОВРЕЖДЕНИЯ ДЛЯ ОПАСНЫХ ХИМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛЬНЫХ УТЕЧЕК В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ).
6. АРМ «Диспетчер». Официальный сайт (http://www.rizikon.ru/structure/page-11.htm). Дата обращения 13.05.2019.
7. Программно-аппаратный комплекс «ТОКСИ+МЕТЕО» для оценки последствий возможных аварий с учетом данных о текущих погодных условиях / Агапов А.А., Хлобыстова И.О., Марухленко С.Л., Марухленко А.Л., Софьин А.С.// Безопасность труда в промышленности. М. - 2011. - №1. - С. 22-25.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019613584 «Программный комплекс TOXI+Прогноз» (https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips servlet?DB=EVM&DocNumber=2019613584&TypeFile=html).
9. Программный комплекс TOXI+Прогноз. Официальный сайт (https://toxi.ru/produkty/programmnyi-kompleks-toxiprognoz) Дата обращения 13.05.2019.
10. Руководство по безопасности «Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ» (утв. приказом Ростехнадзора от 20.04.2015 №158).
11. Руководство по безопасности «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» (утв. приказом Ростехнадзора от 31.03.2016 №137).
12. Руководство по безопасности «Методы обоснования взрывоустойчивости зданий и сооружений при взрывах топливно-воздушных смесей на опасных производственных объектах» (утв. приказом Ростехнадзора от 03.06.2016 №217).
13. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (утв. приказом МЧС от 10.07.2009 г. №404, с изменениями утвержденными приказом МЧС России от 14.12.2010 №649).