Введение к работе
Актуальность проблемы. На территории Российской Федерации расположены арсеналы химического оружия, которое является одним из видов оружия массового уничтожения и представляет собой огромную опасность для существования биотической среды. Автоматизация оперативного контроля и управления объектами повышенной опасности, особенно, объектов хранения и уничтожения химического оружия (ОХУХО) является актуальной и сложной проблемой в рамках выполнения подписанной Российской Федерацией в 1993 году международной Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении.
Одной из важнейших компонент оперативного управления процессами хранения и уничтожения химического оружия (ОХУХО) является обеспечение технической безопасности и снижения вероятности возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций. ОХУХО относятся к особо опасным химическим производствам. Аварийная ситуация (АС) определяется как несанкционированное высвобождение массы или энергии, которое способно причинить ущерб реципиенту риска. Для техногенных объектов химической природы, к которым относятся ОХУХО, аварийная ситуация может превратиться в чрезвычайную ситуацию (ЧС), представляющую собой выход за пределы санитарной защитной зоны (СЗЗ) объекта УХО облака зараженного воздуха (ОЗВ) отравляющих веществ (ОВ) или сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ) с концентрацией, превышающей предельно допустимые нормы.
Исследованию проблем технической безопасности и надежности опасных химико-технологических производств, поддержки принятия решений по управлению ими посвящено большое количество научных работ. Следует отметить труды российских ученых: Елохина А.Н., Измалкова А.В., Кульбы В.В., В.И. Васильева, И.Ю. Юсупова, Б.В. Палюха, А.Ф. Егорова, В.Н. Богатикова, Т.В. Савицкой, В.М. Колодкина, В.Г. Горского и других. Значительный вклад в теорию принятия решений и исследования операций внесли В.Н. Бурков, Д.А. Новиков. Э.А. Трахтенгерц, А.Г. Ивахненко, С.А. Саркисян, Ю.П. Зайченко и многие другие. Среди зарубежных ученых в этой научной проблеме выделяются Дж. Клир, X. Таха, В. Маршалл, Р. Кук, С. Гуаро, Р. Кимбелл, Э. Колл, Б. Инлсон, М. де Гроот, А. Вальд, Ч. Карр, Т. Саати.
Сложность проблемы уничтожения химического оружия состоит в ее комплексности, требующей анализа и учета множества взаимосвязанных аспектов: социально-экономических, организационных, управленческих, технических, информационных, кадровых и др. Поэтому разработка теоретических основ моделирования поведения сложных систем, а именно, автоматизированных систем управления с элементами искусственного интеллекта для экстремальных объектов, продолжает оставаться одной из актуальных научных проблем. Математическое моделирование, в частности, имитационное моделирование, является единственно возможным методом исследования влияния опасных факторов, возникающих при чрезвычайных ситуациях на ОХУХО, и разработ-
ки эффективных мер по их ликвидации, вследствие того, что чрезвычайную ситуацию невозможно повторить, т.е. она уникальна.
Принятие решений по управлению ликвидацией чрезвычайной ситуации (особенно на начальной стадии развития ЧС) характеризуется неполнотой и недостоверностью информации о количественных значениях входных и выходных характеристик ЧС как объекта управления, которые являются, к тому же, случайными функциями многих переменных. Таким образом, предметом исследований должна являться не только сама чрезвычайная ситуация и ее параметры, как объект управления, но и организация управления по ее ликвидации, основанного на информационной поддержке принятия решений.
Возникает необходимость разработки научно обоснованной методической и программно-математической базы анализа и оценки обстановки на объектах УХО современными автоматизированными средствами управления подразделениями ликвидации последствий аварий (ЛПА), количественного обоснования ресурсов, необходимых для ликвидации последствий ЧС, связи с местными органами государственной власти и привлекаемыми министерствами и ведомствами (МЧС, МВД и др.). Для реализации оперативного управления по ликвидации ЧС необходимо разработать программно-технический комплекс автоматизированной системы поддержки принятия решений (ПТК АС ППР), который представляет собой подсистему системы обеспечения технической безопасности ОХУХО. Функционирование алгоритма поддержки принятия решений (ППР), реализованного на ПТК, должно обеспечивать руководящий состав объекта рекомендациями по оперативному управлению силами и средствами при ликвидации последствий аварий (локализация и ликвидация источника химического заражения), а также ликвидации последствий ЧС.
Таким образом, обеспечение технической безопасности для ОХУХО в значительной мере зависит от решения актуальной научной проблемы, состоящей в дальнейшем развитии теории математического моделирования аварийных и чрезвычайных ситуаций для техногенных объектов, методов оценки состояний процессов с учетом фактора неопределенности параметров, методов и алгоритмов теории статистических решений.
Область исследования — техническая безопасность особо опасных химических производств.
Объект исследования — автоматизированные системы оперативного управления по локализации последствий возможных чрезвычайных ситуаций на объектах хранения и уничтожения химического оружия.
Цель диссертационной работы - получение научно - обоснованных технических решений по обеспечению технической безопасности на химических техногенных объектах путем разработки новых математических методов оценки состояний оборудования с учетом факторов неопределенности параметров процессов, развития методов теории статистических решений на основе имитационного моделирования, обеспечивающих функционирование про-
граммно-технических комплексов автоматизированных систем оперативного управления по локализации последствий чрезвычайных ситуаций возможных при хранении и уничтожении химического оружия.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
Анализ возможных сценариев развития аварийных ситуаций, методик оценки последствий аварий на объектах хранения и уничтожения химического оружия. Обоснование и выбор методики моделирования аварийного загрязнения атмосферы. Разработка принципов создания автоматизированной информационно- управляющей системы обеспечения технической безопасности объектов УХО.
Разработка метода предварительной диагностики зарождающихся дефектов технологического оборудования для уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций при уничтожении химического оружия.
Разработка алгоритмов для математического моделирования начального источника химического заражения (НИХЗ), процессов образования ОЗВ при взрывном разрушении оболочки емкостей, проливе токсичных химических веществ (ТХВ), при пожаре на объекте УХО, процесса распространения облака ТХВ в атмосфере.
Разработка и обоснование алгоритмов оперативного управления для локализации опасной зоны загрязнения (ОЗЗ), образующейся при взрывном разрушении оболочек емкостей с ТХВ.
Разработка метода последовательной коррекции оценок параметров опасной зоны загрязнения на основе имитационного моделирования для поддержки принятия решений по оперативному управлению локализацией чрезвычайной ситуации.
Разработка научно обоснованных технических решений для создания автоматизированной системы управления производством (УИС - управленческой информационной системы), АСУТП и системы контроля технической безопасности, учитывающих специфику объектов УХО.
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые предложен и теоретически обоснован новый оригинальный метод решения задач принятия решений по управлению техногенными объектами в условиях чрезвычайных ситуаций, имеющий важное научное и прикладное значение для автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами, а именно:
Разработан метод предварительной диагностики зарождающихся дефектов технологического оборудования, основанный на поиске закономерностей во временных рядах сигналов датчиков объектов и реализованный в виде алгоритма детектирования аномальных информативных признаков в динамических режимах технологических процессов в реальном времени.
Разработан новый метод количественного обоснования вариантов принятия решения по управлению средствами систем чрезвычайного реагирования, основанный на имитационном моделировании, теории статистических решений
и последовательном анализе Вальда и учитывающий случайный характер изменения входных переменных математических моделей образования и распространения облака зараженного воздуха (ОЗВ), что является существенным преимуществом перед приближенной экспресс-оценкой возможных последствий аварийных выбросов (проливов) опасных химических или отравляющих веществ, основанной на использовании таблиц, предварительно рассчитанных по наиболее опасным типовым вариантам.
Разработан метод последовательной коррекции характеристик (линейные размеры, площадь, длина периметра для оптимистического и пессимистического вариантов образования ОЗЗ), позволяющий ЛПР оперативно решать задачу оценки и выбора предпочтительного варианта решения по управлению локализацией ЧС.
Предложен способ повышения достоверности количественных оценок характеристик ОЗЗ, основанный на замене их точечной оценки в n-мерном евклидовом пространстве на интервальную оценку, значительно снижающий неопределенность и риск при принятии решений.
Разработаны научно-технические решения для синтеза структуры и алгоритмического обеспечения программно-технического комплекса автоматизированной системы поддержки принятия решений (ПТК АС ППР) в системе обеспечения технической безопасности ОХУХО.
Методы исследования
В диссертационной работе использованы методы теории автоматизированной диагностики механизмов и машин, теории атомарного спектрального анализа данных (SSA, «Гусеница»), теории классификации объектов, теории систем и системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории оценок, теории статистических решений, общей теории управления, теории алгоритмов, теории объектно-ориентированного анализа, исследования операций и имитационного моделирования.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается обоснованностью использования теоретических положений и методов, корректностью постановки и решения задач исследований, согласованностью теоретических выводов с данными вычислительных экспериментов и их сопоставлением с известными аналогами, а также экспертными оценками специалистов и актами испытаний, выданными организациями, имеющими лицензии на осуществление деятельности по выполнению работ и оказанию услуг по хранению, перевозкам и уничтожению химического оружия, в период с2005по2011г.г.
Практическая ценность работы заключается в снижении риска при принятии решений по управлению локализацией последствий чрезвычайных ситуаций на объектах хранения и уничтожения химического оружия. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы в качестве методологической основы для разработки автоматизированных систем поддержки принятия решений при возникновении чрезвычайных ситуаций на различных техногенных объектах, таких как атомные электростанции, химические предприятия, при лесных и степных пожарах, проливах нефтепродуктов в
водоемах, извержениях вулканов и в других случаях, когда в результате крупных аварий образуются зоны загрязнения опасными веществами.
На защиту выносятся научно обоснованные технические решения:
Метод детектирования аномальных информативных признаков в динамических режимах технологических процессов, основанный на аппарате шаблонов.
Совокупность имитационных моделей образования и распространения в атмосфере облака зараженного воздуха, образовавшегося в результате взрывного разрушения оболочки емкостей с отравляющих веществ, в виде алгоритмов расчета начальной и конечной точки опасной зоны загрязнения, алгоритма локализации начального источника химического заражения, алгоритма локализации опасной зоны загрязнения.
Метод расчета оптимистической и пессимистической интервальных оценок характеристик опасной зоны загрязнения, основанный на имитационном моделировании и последовательном анализе Вальда.
Алгоритм оперативного управления силами и средствами ликвидации чрезвычайных ситуаций на объектах хранения и уничтожения химического оружия, использующий интервальные оценки характеристик опасной зоны загрязнения.
Алгоритмы решения задач оценки ситуации, выбора варианта воздействий и принятия решения по оперативному управлению локализацией чрезвычайной ситуации.
Системотехнические решения для проектирования структуры и алгоритмического обеспечения программно-технического комплекса поддержки принятия решений для системы обеспечения технической безопасности объектов хранения и уничтожения химического оружия.
Связь работы с научными темами и программами
Основные результаты диссертационной работы получены при проведении НИР в 2001-2010 гг. ОАО «Редкинское опытно-конструкторское бюро автоматики» и ФГУП ГосНИИОХТ в рамках выполнения Федеральной целевой программы «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации». Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в выполнении указанных исследований.
Апробация работы
Результаты исследований доложены на: Всероссийской заочной конференции «Перспективы развития Волжского региона», г. Тверь, 1999 г.; Международной конференции «Математика, компьютер, образование», г. Дубна, 1999 г.; II Российско-Украинском симпозиуме «Новые информационные технологии в решении проблем производства, строительства, коммунального хозяйства, экологии, образования, управления и права», г. Пенза, 2002 г.; Международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании (КТУДО), г. Тверь, 2002 г.; научно-практической конференции «Современные технологии документооборота в бизнесе, производстве и управлении», г. Пенза, 2003 г.; IV Международной конференции «Современные сложные системы управления СССУ-HTCS», г. Тверь, 2004 г.;
Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование системы управления организацией в своевременных условиях», г. Пенза, 2004 г.; XIV, XVIII, XXI Международных научно-технических конференциях «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании», г. Пенза, 2004, 2006, 2007 гг.; II Международной научно-технической конференции «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем», г. Пенза, 2008.; V-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении и технике», г. Пенза, 2005 г.; I-V-ой научно-практических конференциях Федерального управления по безопасному хранению и уничтожению химического оружия «Научно-технические аспекты обеспечения безопасности при уничтожении, хранении и транспортировке химического оружия», г. Москва, 2005-2010 гг., ХШ-ой Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2010 г., XII Международной научно-технической конференции «С&Т 2011».—Воронеж, 2011.
Внедрение результатов исследований
Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, использованы ОАО «Редкинское опытно-конструкторское бюро автоматики» в создании головного образца автоматизированой информационной системы промышленной безопасности объектов уничтожения химического оружия (АИС ПБ УХО), проектно-конструкторским бюро «ООО ПКБ автоматизации производств», г. Тверь, ЗАО «ЭкросИнжиниринг», г. С-Петербург, ООО фирмой «Контакт-М», г. Москва в системах технической безопасности ОХУХО: «Горный», «Камбарка», «Щучье», «Марадыковский», «Почеп», «Леонидовка», «Кизнер».
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50-ти печатных научных работ, в том числе две монографии, а так же два учебных пособия «Теория систем и системный анализ», «Автоматизированные и информационные системы научных исследований» в 2005-2011 гг.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 197 наименований, 4 приложений, изложена на 348 страницах машинописного текста, включающего 68 рисунков, 28 таблиц.
