Алгоритм оценки техногенного риска сложных технических систем ответственного назначения в условиях недостатка информации

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамов О.В. Об оценке вероятности наступления рискового события: функционально-параметрический подход // Надежность и качество сложных систем. - 2016. - № 1. - С. 24-31.

2. Абрамов О.В. О функционально-параметрическом направлении теории рисков // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2 015». - Пенза: ПГУ, 2015. - Т.1. - С. 5-6.

3. Абрамов О.В. Анализ и прогнозирование техногенных рисков // Информатика и системы управления. - 2012. - № 3. - С. 97-105.

4. Рыков В.В., Иткин В.Ю. Математическая статистика и планирование эксперимента. — М.: МАКС Пресс. 2010.

5. Коновалов Ю.В. Статистическое моделирование с использованием регрессионного анализа. — М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013.

УДК 621.396.6.07.019.3 Аноп М.Ф.

ФГБУН «Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения

Российской Академии наук» (ИАПУ ДВО РАН), Владивосток, Россия

АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО РИСКА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТКА ИНФОРМАЦИИ

В работе рассматриваются сложные технические системы и объекты, которые служат потенциальными источниками техногенных аварий с тяжелыми последствиями. Типичными примерами являются электроэнергетические комплексы, особенно такие, работа которых основана на атомной энергетике; плавучие нефтедобывающие платформы и нефтетранспортные сооружения, морской и воздушный транспорт и др. Предлагается подход и алгоритм получения количественных оценок техногенного риска в условиях недостатка информации.

Ключевые слова:

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ТЕХНОГЕННЫЙ РИСК, ОЦЕНКА РИСКА

Введение. Практически любой технический объект является потенциальным источниками аварий с тяжелыми последствиями. Типичными примерами подобных систем служат электроэнергетические комплексы, особенно такие, работа которых основана на атомной энергетике; плавучие нефтедобывающие платформы и нефтетранспортные сооружения, морской и воздушный транспорт [1].

Технические объекты относятся к различным классам по определенным признакам. В законе о техническом регулировании определены объекты технического регулирования (ОТР). Закон о промышленной безопасности выделяет класс опасных производственных объектов (ОПО). Советом Безопасности Российской Федерации по предложению Российской академии наук и МЧС России также выдвинуты в качестве объектов рассмотрения, так называемые, критически важные объекты (КВО). Это объекты, которые при аварии или катастрофе могут нарушить жизнедеятельность региона или страны, вызвать ухудшение жизни массы людей, и на которых достаточно трудно преодолеть последствия аварии.

К ним относятся атомные станции, подводные лодки, ракетно-космические системы, системы сжиженного природного газа, гидроэлектростанции, магистральные трубопроводы, уникальные сооружения. После аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, была поставлена проблема о стратегически важных объектах (СВО) [2].

Введем следующее определение и новый класс технических систем: технический объект ответственного назначения — это технический объект, обеспечивающий безопасное производство или выполняющий особо важные функции в обороне, экосфере или инфраструктуре мест обитания человека, отказ которого на заданном интервале эксплуатации Т недопустим.

У всех перечисленных классов технических объектов есть много общего. В большинстве своем к ним относятся сложные системы, изготовляемые в небольшом числе экземпляров, эксплуатирующихся в различных условиях. Такие технические системы часто называют уникальными и высокоответственными [3].

Для таких систем актуальной задачей является предотвращение чрезвычайных и других нежелательных ситуаций техногенного характера, которые могут привести к нештатному режиму, аварии, катастрофе или существенно повлиять на работоспособность, живучесть, безопасность, эффективность и другие свойства таких объектов.

В соответствии с Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной

распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.11.2008 г. № 1662-р, обеспечение высокого уровня безопасности техногенных объектов и снижение риска возникновения чрезвычайных ситуаций на этих объектах требует развития не только средств реагирования на чрезвычайные ситуации, но, в первую очередь, средств их предупреждения. Концепция предусматривает необходимость проведения комплексного анализа и постоянного контроля состояния технического объекта [4].

Своевременное и полное выявление и устранение причин изменения технического состояния и возможных критических отказов позволяет принять максимум мер по предотвращению аварий за счет более точной оценки несущей способности и остаточного ресурса механических систем и элементов. В результате разработки систем контроля, раннего выявления и устранения причин изменения технического состояния снижается риск аварий и время простоев технических комплексов, машин и аппаратуры [5].

Основная часть. В соответствии с предлагаемым представлением техногенного риска сложных систем необходимо определить показатели опасности, уязвимости и защищенности [6]. Для технических систем техногенные риски Я связаны с последствиями процесса нарушения нормального процесса функционирования. Этот процесс (отказ) рассматривается в работе как рисковое событие и представляет собой угрозу безопасности технической системы. Положим, что опасность Н технической системе несут отказы. Как известно из теории надежности, все отказы можно разделить на внезапные и постепенные.

Современные средства диагностики позволяют внезапные отказы перевести в категорию постепенных, вызванных происходящими в системе процессами старения и износа, а это, в свою очередь, повышает безопасность системы и снижает риск аварии и катастроф за счет создания избыточности времени для действий персонала в условиях возможного отказа.

Технические системы ответственного назначения обычно создаются и эксплуатируются в небольшом числе экземпляров. Оценка показателей техногенного риска таких объектов должна учитывать индивидуальные особенности каждой конкретной системы и условий ее эксплуатации. Такой индивидуальный подход к риску возможен при условии получения текущей информации о действительном техническом состоянии каждой системы. Реализация индивидуального подхода требует непрерывного или дискретного контроля и анализа ее состояния.

Эффект от использования такой индивидуальной стратегии определяется главным образом следующими факторами:

возможностью в наибольшей степени использовать ресурс каждой конкретной системы, что достигается уменьшением числа преждевременных вмешательств в ее работу;

возможностью предотвращения наступления рисковых событий, вызываемых выходом определяющих параметров системы за пределы области работоспособности, что достигается своевременным прекращением эксплуатации или проведением профилактических мероприятий.

В этих условиях перспективным при решении задачи оценки техногенного риска систем ответственного назначения может стать использование идей функционально-параметрического (ФП) подхода теории надежности [7]. Этот подход естественным образом следует из общепринятого определения надежности как свойства объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения [7- 9].

Идеи ФП-подхода теории надежности можно использоваться для получения количественных оценок показателя опасности, объединив его с индексными методами, которые уже активно применяются на многих крупных предприятиях России, в частности, РОССЕТИ, РусГидро, Янтарьэнерго для оценки состояния технических объектов [10, 6].

Параметры технического состояния сложной системы относятся к характеристикам индекса опасности Н. Внешние параметры, характеризующие свойства внешней среды и условия эксплуатации, оказывают влияние на уязвимость V рассматриваемого объекта. Показатель защищенности Б выполняет роль регулирующего коэффициента и оценивается исходя из критичности отказов и их последствий отдельных узлов системы и сроков устранения поломок [11].

Оценка техногенного риска в рамках предлагаемого подхода представляет собой многоэтапный процесс. Она сводится не к выявлению возможных сценариев развития опасной ситуации и определению последствий каждого сценария, а системному анализу рассматриваемой сложной системы, обработке имеющихся статистических сведений, мнений экспертов, количественному учету разнообразных факторов риска. Учет большого числа факторов позволяет построить более объективную картину распределения техногенного риска, выявить наиболее опасные и уязвимые участки, спланировать мероприятия по снижению рисков и уменьшению ущерба.

В первую очередь необходимо установить перечень элементов, наиболее существенно влияющих на техногенную безопасность рассматриваемой системы ответственного назначения. Отказ таких элементов имеет критичные последствия. Инструментом для решения этой задачи служит системный

анализ. Построение структурной схемы объекта даст возможность определить значимость каждого элемента методом экспертных оценок или статистическим анализом данных об отказах и облегчит сбор информации об отказавших узлах и деталях в процессе эксплуатации. Для этого этапа привлекаются эксперты. При рассмотрении отдельных элементов системы и выборе параметров контроля учитываются:

вероятность возникновения отказа, характеризующегося выходом параметра за пределы допустимых значений;

важность элемента системы, отказ которого превышает допустимый уровень по тяжести возможных последствий;

взаимосвязь с другими подсистемами, и вероятность возникновения каскадных отказов.

Следующий большой этап состоит в определении параметров состояния элементов системы, подлежащих мониторингу, и их допустимые значения. После этого можно определить характеристики показателей опасности, уязвимости и защищенности. Нужно назначить веса и выбрать способ агрегации характеристик для расчета соответствующих индексов и общего индекса техногенного риска.

Таким образом, можно сформулировать общий алгоритм оценки техногенного риска сложных технических систем ответственного назначения, состоящий из нескольких этапов.

Представить структурную модель технической системы в виде иерархического дерева. Либо осуществить создание классификатора, описывающего подсистемы и их элементы, параметры контроля и возможные отказы.

На основании экспертных оценок определить коэффициенты относительной важности Wi каждой из подсистем.

Для каждой подсистемы определить параметры состояния, подлежащие мониторингу и оценке.

Если параметров состояния несколько, то необходимо опять привлечь экспертов для определения относительной важности каждого из параметров.

Вычисление индексов опасности, уязвимости и защищенности и общей оценки техногенного риска [6, 12].

Заключение. Рассмотрена задача оценки техногенного риска технических объектов ответственного назначения. Разработан алгоритм оценки техногенного риска технических систем с использованием идей функционально-параметрического подхода теории надежности и индексного оценивания. Показана связь задачи оценки состояния технической системы и оценки показателя опасности. Показана важность оценки этого показателя для обеспечения безопасности технической системы. Описаны показатели уязвимости и защищенности.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта ДВО РАН программы «Дальний Восток», проект № 18-5-044.

ЛИТЕРАТУРА

1. Багров А.И., Муртазов А.К. Техногенные системы и теории риска // Рязань: Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина. — 2010.

2. Махутов Н.А., Зацаринный В.В., Альгин В.Б. Техногенный риск, надежность и диагностика технических систем: подходы, модели, методы. — 2012.

3. Похабов Ю.П., Ушаков И.А. О безаварийности функционирования уникальных высокоответственных систем // Методы менеджмента качества. — 2014. — № 11. — С. 50-56.

4. Некоторые вопросы развития систем упреждающей диагностики / Н.А. Махутов [и др.] // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2010. — № 4. — С. 22-48.

5. Берман А.Ф., Николайчук О.А. Пространство технических состояний уникальных механических систем // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 2007. — № 1. — С. 14-22.

6. Аноп М.Ф. Основные положения индексного подхода к оценке техногенного риска систем ответственного назначения // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2 т. Том 1. -Пенза: ПГУ, 2017. - С. 112-114.

7. Abramov O., Dimitrov B. Reliability design in gradual failures: functional-parametric approach // Reliability: Theory & Applications. - 2017. - № 4. - Vol. 12. - Pp. 39-48.

8. Абрамов О.В. Возможности и перспективы функционально-параметрического направления теории надежности // Информатика и системы управления. — 2014. — №4(42). — С. 53-66.

9. Абрамов О.В. Об оценке вероятности наступления рискового события: функционально-параметрический подход // Надежность и качество сложных систем. — 2016. —№ 1(13) - С. 24-31.

10. Попов Г. В., Игнатьев Е. Б. Определение индекса технического состояния силовых трансформаторов в процессе их эксплуатации // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2014. - № 4. - С. 25-32.

11. Аноп М.Ф. Геометрический подход к прогнозированию показателя опасности объектов ответственного назначения в условиях недостатка информации // Труды14-й международной научной школы «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах (МАБР — 2016)». — Санкт-Петербург: СПИИ РАН, 2016. — С. 70-75.

12. Аноп М.Ф., Катуева Я.В. Управление техногенной безопасностью региона на основе индексов опасности, уязвимости и защищенности // Информатика и системы управления. — 2014. — № 3(41). — С. 140-147.

УДК 681.51

Диго Г.Б., Диго Н.Б.

ФГБУН «Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии наук» (ИАПУ ДВО РАН), Владивосток, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ КАНОНИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ СЛУЧАЙНЫХ ФУНКЦИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ ВЕРОЯТНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ РИСКОВОГО СОБЫТИЯ

Анализируются проблемы, возникающие в процессе прогнозирования наступления рискового события при управлении и эксплуатации сложных систем ответственного назначения на основе функционально-параметрического подхода теории надежности. Описывается алгоритм прогнозирования вероятности наступления рискового события при каноническом представлении случайных функций.

Ключевые слова:

ВЕРОЯТНОСТЬ НАСТУПЛЕНИЯ РИСКОВОГО СОБЫТИЯ, ОРТОГОНАЛЬНОЕ КАНОНИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ, МЕТОД СТАТИСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ, ОБЛАСТЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Введение. При планировании эксплуатации технических устройств и систем важную роль играет прогнозирование их технического состояния. Для объектов ответственного назначения, потеря работоспособности которых связана с большими материальными потерями или катастрофическими последствиями, очень важно уметь предсказывать возможный момент отказа, уменьшать возможности отказов и техногенных рисков, используя, в частности, прогноз динамики изменения их технического состояния на основе мониторинга.

Некоторые подходы к решению задачи оценки и управления техногенными рисками, базирующиеся на идеях функционально-параметрического направления теории рисков [1], изложены в работах [1-3]. В соответствии с этой методологией процесс функционирования системы и ее техническое состояние в любой момент времени определяются конечным набором параметров системы, их отклонения от исходных (номинальных, расчетных) значений приводят к отказам (являются рисковыми событиями), формой проявления которых является выход параметров за пределы области работоспособности. Поскольку отклонения параметров образуются под влиянием различных факторов, действующих в процессе производства, хранения и эксплуатации, и имеют случайный характер, параметры технических систем рассматриваются как некоторые случайные функции времени. Для некоторых известных их закономерностей (известных моделей случайных процессов изменения параметров) в [1, 4, 5] изложены рекомендации по оценке вероятности наступления рискового события. Однако в предлагаемых методах прогноза предполагаются известными структура случайного процесса изменения параметров состояния либо свойства класса, которому принадлежит реальный процесс. А это означает, что для прогнозирования должны быть заданы модели процессов изменения параметров. В большинстве реальных задач при прогнозировании приходится сталкиваться с неопределенностью, вызываемой недостаточной теоретической изученностью объектов исследования, подверженностью их влиянию неконтролируемых возмущений с неизвестными характеристиками, свойствами окружающей их внешней среды. Из-за отсутствия, недостаточности или недостоверности исходных данных требуются новые подходы, учитывающие вероятностный характер воздействий и параметров. Приходится рассматривать один или несколько альтернативных вариантов с учетом возможных ситуаций и использовать аппарат теории принятия решений, обеспечивающий поиск наилучшего решения и преодоление вычислительной трудоемкости методов и алгоритмов нахождения таких решений. При различных видах неопределенности эти проблемы могут быть преодолены с помощью многометодных и многовариантных технологий с использованием параллельных вычислений.

В докладе проанализированы проблемы, возникающие при прогнозировании технического состояния сложных систем ответственного назначения на основе функционально-параметрического подхода, и предложен алгоритм оценки вероятности наступления рискового события, использующий каноническое представление случайных функций.

Проблемы использования функционально-параметрического подхода теории надежности при оценке вероятности наступления рискового события

В основе методологии функционально-параметрического подхода лежат следующие основные принципы:

- процесс функционирования технической системы и ее техническое состояние в любой момент времени определяются конечным набором некоторых переменных - параметров системы;

- все отказы (наступления рисковых событий) являются следствием отклонений параметров от их исходных (номинальных, расчетных) значений, а формой проявления отказа является выход параметров системы за пределы области допустимых значений (области работоспособности).

Таким образом, при решении задачи управления техногенными рисками на основе функционально-параметрического подхода необходимо уметь оценивать текущее техническое состояние системы, прогнозировать изменения технического состояния (момент перехода в предельное состояние), определять соответствующие суммарные и единовременные эксплуатационные расходы, связанные с мониторингом состояния, проведением профилактических мероприятий и с ущербом, возникающим при наступлении рискового события.

Пусть У(Ь) - случайный процесс (в общем случае векторный) изменения некоторого параметра состояния технической системы, статистические характеристики которого полагаются известными и задана его область работоспособности. Рисковое событие Я в таком случае наступает в момент выхода случайного процесса У(Ь) за пределы области работоспособности.

При оценке вероятности наступления рискового события согласно [1] могут использоваться два подхода. Один из них основан на определении плотности распределения времени безотказной работы (времени нахождения процесса изменения выходных параметров У(1) в области работоспособности). Вероятность наступления рискового события (отказа системы) в течение времени Т описывается для этого случая в виде:

т

Р(КТ) = | ,

где q(t) - плотность распределения времени безотказной работы. Предполагается, что случайный процесс У(Ь) изменения определяющего параметра