Метод оценки техногенной безопасности в зоне поражения объектов хранения нефтепродуктов в терминах теории нечётких множеств

УДК 519.711.3.614.8.06.001.18

МЕТОД ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В ЗОНЕ ПОРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ХРАНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ТЕРМИНАХ ТЕОРИИ НЕЧЁТКИХ МНОЖЕСТВ А.В. Рыбаков, к.т.н.

Техногенная безопасность рассматривается как свойство, которое характеризует степень безопасности нахождения людей, зданий, сооружений и коммуникационных сетей в зонах поражения при возникновении пожара, взрыва, разлива нефтепродуктов на объекте, рассматривается как функция, аргументами которой являются коэффициенты потенциальной опасности, структурной устойчивости и возможности потери структурной устойчивости.

В основу комплексной оценки техногенной безопасности положен сценарно логико-лингвистический подход, примененный к объектам хранения нефтепродуктов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нефтепродукты, оценка безопасности, нечёткие множества, логические функции

METHOD OF AN ESTIMATION OF TECHNOGENIC SAFETY IN THE DEFEAT OBJECTS PETROLEUM STORAGE ZONE IN THE TERMS OF THE UNEXACTLY SETS THEORY

A. V. Rybakov

For the safety evaluation of population, infrastructure and environment potential accident objects it's necessary to analyze the object security and also to make complex analysis of hazards, which become the result of emergency situations occurrence on the object. The result of this evaluation will be the complex safety coefficient, which includes anthropogenic risk assessment, structure stability assessment and risk assessment of emergency situations occurrence on the object.

For example, petroleum storage depot, as fuel-energy complex, is considered to be the potential accident object. In result of system analysis the structure ofpotential accident object was determined, destructive elements were revealed and connections with them. Subsystems of oil products receiving point, storage point and oil products departure point refer to these elements.

Техногенная безопасность рассматривается как свойство, которое характеризует степень безопасности нахождения людей, зданий, сооружений и коммуникационных сетей в возможных зонах поражения потенциально опасного объекта при возникновении аварийной ситуации на нем: пожар, взрыв, разлив нефтепродуктов.

Эта безопасность обеспечивается свойством объекта сохранять работоспособность, как в условиях штатной эксплуатации, так и в условиях воздействия тех или иных поражающих факторов на структурные элементы объекта, которыми являются элементы потенциально опасного объекта, представляющие собой опасность для людей и элементов инфраструктуры территории, которая примыкает к объектам хранения и транспортировки нефтепродуктов и попадающих в возможные зоны поражения в случае возникновения аварийных ситуаций.

Свойство структуры системы сохранять работоспособное состояние зависит от стойкости элементов к воздействию различных поражающих факторов от различных источников угроз, является структурной устойчивостью объекта к воздействию различных поражающих факторов.

Эксплуатация потенциально опасного объекта сопровождается устареванием оборудования и деградацией его структурных элементов, что приводит к снижению их стойкости и, как следствие, к возможности потери структурной устойчивости объекта, что может привести к возникновению аварийной ситуации на нем.

С учетом структуры объекта построены математические модели, позволяющие оценить потенциальную опасность, структурную устойчивость и возможность потери структурной устойчивости.

Оценка потенциальной опасности основана на логико-лингвистическом анализе возможных зон поражения в результате возникновения аварийной ситуации того или иного характера [1].

Оценка структурной устойчивости основана на сравнении уровня поражающего фактора источника угрозы с уровнем, на который рассчитана стойкость элемента объекта с учетом его защищенности, а возможность потери структурной устойчивости рассчитывается при условии, что уровень поражающего фактора источника угрозы может превысить уровень, на который рассчитана стойкость элемента объекта с учетом его защищенности и сценариев.

Предлагается технология определения техногенной безопасности людей и элементов инфраструктуры территории, примыкающей к объектам хранения и транспортировки нефтепродуктов и попадающих в возможные зоны поражения, основанная на использовании методов теории нечетких множеств [2, 3].

Объект обладает свойством нечеткости, различия между неопределенностью и нечеткостью представлены в табл. 1.

Таблица 1

Отличия неопределенности и нечеткости

Неопределенность Нечёткость

Этот феномен возникает из-за недостатка знаний, относящихся к появлению некоторого события Этот феномен возникает в процессе объединения объектов, имеющих одно и то же свойство. В группировке объектов граничные элементы размытые

Специфической формой неопределенности является «случайность» (Якоб Бернулли) Нечёткость противоположна точности, она не может быть устранена дополнительными знаниями об объекте

Математическая модель феномена неопределенности основана на теории вероятностей Математическая теория нечёткости представлена нечеткой логикой

Неопределенность снимается дополнительными знаниями, нечеткость присуща самому объекту.

Техногенная безопасность людей и элементов инфраструктуры территории, примыкающей к объектам хранения и транспортировки нефтепродуктов и попадающих в возможные зоны поражения, выражается коэффициентом техногенной безопасности, который включает коэффициенты потенциальной опасности, структурной устойчивости и возможности потери структурной устойчивости.

Математической моделью определения коэффициента техногенной безопасности является значение полиномиальной нечеткой логической функции, аргументами которой являются значения полиномиальных нечетких логических функций потенциальной опасности, структурной устойчивости и возможности потери структурной устойчивости:

Б = О л СУ л ВПСУ,

где О - значение полиномиальной нечеткой логической функции потенциальной опасности объектов хранения и транспортировки нефтепродуктов;

СУ - значение полиномиальной нечеткой логической функции структурной устойчивости объектов хранения и транспортировки нефтепродуктов;

ВПСУ - значение полиномиальной нечеткой логической функции возможности потери структурной устойчивости на объектах хранения и транспортировки нефтепродуктов.

Математическая модель определения коэффициента потенциальной опасности объекта строится на основе структурной модели объекта, различных сценариев возможного воздействия источников угроз, сценариев развития аварийных ситуаций на потенциально опасном объекте. Фрагмент сценария развития аварийной ситуации на объекте представлен на рис. 1. Сценарий возможного развития аварии на объекте представлен в виде нечеткой логической сети (рис. 2).

Зона поражения элемента х1

Зона поражения элемента ИУ

Зона поражения элемента х3

Зона поражения элемента х2

Зона поражения элемента х4

Рис. 2. Фрагмент логической сети развития опасности на объекте, где х1 водный транспорт (танкер), х2 - железнодорожный транспорт, х3 - автомобильный транспорт, х4 - пункт приема нефтепродуктов, ИУ - источники угроз

Нечеткая логическая сеть описывается полиномиальной нечеткой логической функцией потенциальной опасности, которая имеет следующий вид:

О =

п

дш илп^ и.//я илпр),

/._е/, гп к/ к] к/ к[ к/

п

ку еК,

)

где I - множество источников угроз, / = 1, п, п - количество источников угроз; К - множество элементов объекта, у = 1, к, к - количество элементов объекта;

V - множество возможных видов аварийных ситуаций, 5 = 1,2,3, где 8=1 - взрыв, 8=2 -пожар, 8=3 - разлив нефтепродуктов;

ЛП: . - лингвистическая переменная, значение которой характеризует возможность воз-

1п к}

никновения Vs аварии на к3-ом структурном элементе потенциально опасного объекта, если он попадает в зону поражения /п-ого источника угроз;

ЛПV - лингвистическая переменная, значение которой характеризует зону поражения кого структурного элемента потенциально опасного объекта при возникновении V вида опасности;

ЛП£ £ - лингвистическая переменная, значение которой характеризует возможность d

3 1

возникновения аварии на £^-ом структурном элементе потенциально опасного объекта, если он попадает в зону поражения £3-ого структурного элемента потенциально опасного объекта («эффект домино»);

^ - операции объединения и пересечения множеств.

Зона поражения структурного элемента потенциально опасного объекта определяется по существующим методикам оценки зон поражения при возникновении аварийной ситуации на объекте, и затем пересчитывается в значения лингвистической переменной.

Возможность возникновения аварийных ситуаций на объекте зависит от топографического размещения, от климатических условий, в которых он расположен, времени года и промышленной застройки территории.

Рассмотрим следующий пример.

На структурные элементы потенциально опасного объекта воздействует поражающий фактор в виде ударной волны, давление во фронте ударной волны равно 50 кПа. В зону поражения попадает резервуар, в котором находятся нефтепродукты.

Расположение источника угрозы и резервуара таково, что между ними находится двух этажное административное здание (рис. 3).

Зона поражения источника угрозы

Рис. 3. Фрагмент развития опасности на объекте

Стоящее здание снижает действие ударной волны до 5 кПа. Давление во фронте ударной волны, равное 5 кПа, пересчитываем в значение лингвистической переменной воздействия поражающего фактора на структурный элемент объекта:

ЛП = ((Слабое / 0,977); (Среднее /0,16 х 10); (Сильное / 0)).

Математическая модель оценки структурной устойчивости объекта строится на основе структурной модели объекта и сценария возможного воздействия источников угроз.

Работоспособность элемента определяется его стойкостью к тому или иному виду поражающего фактора. В процессе функционирования объекта стойкость элементов снижается из-за их естественного износа. Поэтому определяется текущая стойкость структурных элементов с учетом их деградации и защищенности, и сравнивается со стойкостью, определенной в тактико-технических характеристиках, пересчитанные в значения лингвистических переменных.

Коэффициент структурной устойчивости определяется полиномиальной нечеткой логической функцией следующего вида:

У = &[

где I - множество элементов объекта;

С - нечеткое включение множества одного множества в другое.

Stj, Stf, St? - значения текущей стойкости структурных элементов объекта с учетом их деградации и с учетом их защищенности к воздействию взрыва, пожара и разлива нефтепродуктов соответственно;

Sj, Sf, S? - значения стойкости структурных элементов объекта, определяемых тактико-

техническими условиями эксплуатации, к воздействию взрыва, пожара и разлива нефтепродуктов соответственно.

Значение текущей стойкости структурных элементов нечетко включается в значения стойкости структурных элементов объекта, определяемых тактико-техническими условиями эксплуатации, St с S , если степень включения St в S не меньше некоторого порога включения S.

Степень включения определяет структурную устойчивость объекта, т.е. способность объекта противостоять воздействиям поражающего фактора источников угроз. Значение порога включения S , зависит от конкретного потенциально опасного объекта, от степени его опасности.

Определение текущей стойкости структурных элементов объекта с учетом их износа и защищенности рассмотрим на следующем примере.

В тактико-технических характеристиках стойкость резервуара к воздействию ударной волны равна 0,4 МПа. Но в процессе эксплуатации стойкость резервуара снизилась до 0,34 МПа. На объекте предусмотрена защита резервуара - обваловывание. Защищенность резервуара повышает уровень стойкости на 0,2 МПа. Тогда получаем, что текущее значение стойкости с учетом износа и защищенности структурного элемента равно 0,54 МПа. Это значение пересчитываем в значение лингвистической переменной, получаем значение текущей стойкости резервуара к воздействию ударной волны.

Для получения значения полиномиальной нечеткой логической функций структурной устойчивости логические операции определяются как минимаксные алгоритмы (конъюнкция - MIN, дизъюнкция - MAX).

Математическая модель оценки возможности потери структурной устойчивости строится на основе структурной модели объекта, сценариев возможного воздействия источников угроз и сценариев развития аварийных ситуаций на потенциально опасном объекте.

Возможность потери структурной устойчивости определяется при условии, что уровень поражающего фактора превысит уровень текущей стойкости структурного элемента с учетом его износа и защищенности.

Для определения возможности потери структурной устойчивости рассматривается сценарий, который описывает потерю стойкости одним элементом на объекте, когда два элемента потеряют стойкость и т.д., т.е. рассматриваются все возможные состояния текущих стойкостей структурных элементов объектов. Поэтому определяется степень включения поражающего фактора того или иного вида в текущую стойкость структурного элемента с учетом износа и защищенности. Степень включения определяет возможность потери структурной устойчивости.

Коэффициент возможности потери структурной устойчивости определяется полиномиальной нечеткой логической функцией следующего вида:

ПСУ = с S^)&

где I - множество элементов объекта;

С - нечеткое включение множества одного множества в другое.

St1, St2, St3 - значения текущей стойкости структурных элементов объекта с учетом его

деградации и с учетом его защищенности к воздействию взрыва, пожара и разлива нефтепродуктов соответственно;

P1, P2, P3 - значения поражающих факторов источников угроз: ударной волны, теплового воздействия и разлива нефтепродуктов соответственно.

Нечеткое включение P с St > S . Значение порога включения S , зависит от конкретного потенциально опасного объекта, от степени его опасности.

Для получения значения полиномиальной нечеткой логической функций возможности потери структурной устойчивости логические операции определяются как минимаксные алгоритмы (конъюнкция - MIN, дизъюнкция - MAX).

Для получения значений коэффициентов техногенной безопасности, потенциальной опасности, структурной устойчивости и возможности потери структурной устойчивости проводится преобразование значений нечетких переменных в четкие.

Полученный коэффициент сопоставляется со шкалой безопасности. Шкала имеет следующий

вид:

очень очень

малая малая средняя большая большая

безопасность безопасность безопасность безопасность безопасность

0,2

0,4

0,6

0,8

0

1

В результате получаем качественное значение техногенной безопасности, выраженное в терминах шкалы и количественное значение техногенной безопасности, которое изменяется от 0 до 1.

Получаем комплексную характеристику, которая характеризует комплексную потенциальную опасность объекта, его структурную устойчивость и возможность потери структурной устойчивости под воздействием поражающих факторов. И комплексный коэффициент техногенной безопасности людей и элементов инфраструктуры территории, примыкающей к объектам хранения и транспортировки нефтепродуктов и попадающих в возможные зоны поражения в случае возникновения ЧС на объекте.

Количественные значения коэффициентов позволяют провести ранжирование объектов, принадлежащих одной промышленной группе, по разным видам опасности и по комплексной опасности и по безопасности для объектов, находящихся в зонах поражения в случае возникновения ЧС, в зависимости от времени года.

Литература

1. Мелихов А.Н., Бернштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. - М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1990. - 231 с.

2. Добров А.В., Рыбаков А.В. Оценка риска возникновения аварии на объектах нефтяной промышленности // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. № 4, 2009. - С. 40-45.

3. Рыбаков А.В. Комплексная техногенная безопасность объектов хранения и транспортировки нефтепродуктов // Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Химки: АГЗ МЧС России, 2009. - 25 с.