Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема автоматизации управления безопасностью промышленных объектов 16
1.1. Особенности автоматизированной поддержки управления безопасностью на объектовом уровне 16
1.2. Управление безопасностью в концепции приемлемого риска техногенных ЧС 22
1.3. Применение case-технологий и систем информационно-интеллектуальной поддержки управления безопасностью 25
1.4. Задачи диссертационной работы 29
Выводы к главе 1 31
Глава 2. Характеристика техногенных ЧС, анализ сценариев их развития и процессов ликвидации 32
2.1. Классификация техногенных ЧС по характеру возникновения и развития 32
2.2. Характерные сценарии ЧС и фазы их развития 39
2.3. Анализ действий по ликвидации техногенных ЧС 44
Выводы к главе 2 48
Глава 3. Функционально-событийное моделирование управления процессами предупреждения и ликвидации ЧС 49
3.1. Двухступенчатое управление безопасностью промышленного предприятия 49
3.2. Типовая модель оперативного управления процессом ликвидации ЧС 54
3.3. Верхние уровни управления: обобщенная блок-схема и диаграммы процессов 58
3.4. Моделирование процессов ликвидации аварии с применением сетей петри 73
Выводы к главе 3 82
Глава 4. Многоуровневая модель знаний для поддержки решений по ликвидации ЧС на промышленном предприятии 83
4.1. Понятие знаний и базовые методы представления 83
4.2. Многоуровневая агрегированная модель знаний по управлению процессом ликвидации техногенной ЧС 89
4.3.Моделирование процессов обработки информации и генерации управленческих решений 91
4.4. Логический вывод и стратегии формирования решений 102
Выводы к главе4 105
Глава 5. Информационные ресурсы интеллектуальной системы по предупреждению и ликвидации ЧС на промышленном предприятии 106
5.1. Назначение и функциональные задачи системы 106
5.2. Базы данных и картографическая информация 109
5.6. Состави содержание баз знаний 114
5.4. Особенности построения и функционирования системы 117
Выводы к главе 5 120
Заключение 121
Список сокращений 125
Литература 126
- Особенности автоматизированной поддержки управления безопасностью на объектовом уровне
- Классификация техногенных ЧС по характеру возникновения и развития
- Двухступенчатое управление безопасностью промышленного предприятия
- Многоуровневая агрегированная модель знаний по управлению процессом ликвидации техногенной ЧС
Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие крупномасштабного материального производства приводит к возрастанию рисков для здоровья людей и окружающей природной среды- На современных промышленных предприятиях используются, перерабатываются и хранятся значительные количества химически, по-жаро-, взрывоопасных веществ и соединений. Значительную потенциальную опасность представляют объекты ядерного комплекса, системы транспортировки энергии и энергоносителей, гидротехнические сооружения, хранилища опасных отходов,
В России, как и во всем мире, наблюдается тенденция к росту количества чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Увеличивается число крупных аварий, наносящих значительный ущерб здоровью населения, инфраструктуре и окружающей природной среде [113],
Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера является одной из важнейших задач государственной политики Российской Федерации в области национальной безопасности, обеспечения устойчивого развития страны. Технологии управления безопасностью отнесены к числу критических технологий, на которых в первую очередь должны быть сфокусированы научные исследования.
Своевременное и качественно управление процессами предупреждения и ликвидации ЧС позволяет уменьшить их количество и масштабы, что в свою очередь ведет к уменьшению степени воздействия на экологию и окружающую среду в целом. Об этом говорилось на Президиуме Госсовета России в мае 2003 года.
Главным инструментом предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в стране является единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС). Основными элементами РСЧС являются: органы управления по делам ГОЧС на федеральном, региональном, территориальном, местном и объектовом уровнях, другие государственные органы; потенциально опасные объекты различной ведомственной принаддежнсь
сти и формы собственности, и их органы управления; силы и средства РСЧС, привлекаемые к предупреждению и ликвидации ЧС [37, 119]. Основой качественного выполнения РСЧС задач предупреждения и ликвидации ЧС являются «Планы действий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» разных уровней. Однако до сих пор практически нет методик, позволяющих в оперативной обстановке конструктивно формировать сценарии действий по ликвидации крупных аварий в соответствии с характером и развитием конкретных чрезвычайных ситуаций, возникающих при этих авариях. Планы действий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций из-за отсутствия таких методических средств носят декларативный характер [120]. Несмотря на многочисленные исследования в области управления рисками [47-50, 144-146], проблема оперативного формирования сценариев действий органов управления с учетом особенностей аварийных объектов и имеющихся сил и средств по ликвидации разных видов аварий, пока не решена.
Развитие конструктивных методов поддержки принятия решений по ликвидации техногенных ЧС требует системных исследований с целью привлечения методологии инженерии знаний для создания моделей, позволяющих систематизировать и развить опыт, накопленный специалистами, обеспечить автоматизацию процессов формирования и применения многочисленных документов и нормативов и построить типовую модель, адаптируемую к применению в конкретной аварии на промышленном объекте. Работы в этом направлении проводились многими известными специалистами [15,17,18,33,34,73,75], однако рассматривались лишь отдельные виды чрезвычайных ситуаций (аварии в нефтегазовом комплексе, крупные пожары, транспортные аварии).
Первая в нашей стране действующая интеллектуальная система ЭСГТЛА для поддержки принятия решений по ликвидации химических аварий разработана в Институте вычислительного моделирования СО РАН под руководством Л.Ф. Ноженковой [46]. Ею предложены технология построения экспертных геоин-формационных систем и аппарат гибридных моделей знаний для представления
сценариев ЧС [84]. Однако создание комплексных систем по управлению безопасностью промышленного предприятия требует объемных исследований по извлечению и формализации знаний. Поэтому тема настоящей диссертационной работы, посвященной системному анализу проблемы поддержки принятия ре-шений по предупреждению и ликвидации разных видов ЧС на промышленных объектах, построению многоуровневой системы моделей знаний и, в конечном итоге, проектированию и наполнению баз знаний, является актуальной.
Актуальность работы подтверждается тем, что диссертация выполнена в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных исследований РАН по информационно-телекоммуникационным технологиям, в том числе, по фундаментальным проблемам построения интеллеюуальных систем для поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации ЧС- Исследования проводились в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма 08.02. «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф», региональной НТП «Новые технологии для управления и развития региона», выполняемых в ИВМ СО РАН. Основанием для выполнения работы также послужили: федеральная целевая программа ''Создание территориальных звеньев АИУС РСЧС в регионе"; государственная научно-техническая программа "Защита населения и территорий от катастроф природного и техногенного характера". Работа выполнена в рамках краевых целевых программ "Защита населения и территорий от ЧС", "Создание службы спасения Красноярского края".
Цель диссертационной работы - извлечение, систематизация и формализация знаний для интеллектуальной системы по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на промышленном предприятии.
Методы исследование применяемые в работе, основаны на методологии системного анализа, инженерии знаний, CASE-технологии и аппарате объектно-ориентированного проектирования сложных систем.
Основная идея работы заключается в последовательной систематизации и формализации знаний по управлению техногенной безопасностью промышленного предприятия. Основные результаты представляют собой систему баз знаний и моделей их представления, позволяющих создать и усовершенствовать комплексные системы по управлению безопасностью на промышленных предприятиях, обеспечивающие предупреждение ЧС и снижение степени воздействия на окружающую среду в случае их возникновения.
Для формализации знаний применяется агрегированная многоуровневая модель, основанная на интеграции семантических сетей, фреймового и продукционного подходов к представлению знаний. Для ее построения выполнен системный анализ проблемной области, построено математическое описание в форме агрегированной сети Петри. Предложены методы построения конструкций баз знаний. Выполнено проектирование баз знаний интеллектуальной системы по управлению безопасностью промышленного объекта, разработаны стратегии логического вывода для динамического управления процессами предупреждения и ликвидации ЧС.
В работе представлены модели превентивного и оперативного динамического управления безопасностью и риском, которые используются в практической деятельности руководителей и комиссий по чрезвычайным ситуациям объектов экономики для предупреждения ЧС, снижения риска их угрозы и сокращения потерь и ущербов в случае их возникновения. Особенность динамической модели управления состоит в том, что она позволяет не только оперативно формировать предложения для принятия решений, но и обеспечивает непрерывную корректировку принятого решения по мере поступления данных об изменении обстановки. Результатом использования такой модели в практике предупреждения и ликвидации ЧС является сокращение времени на оперативную оценку обстановки и принятие решения руководителем предприятия или комиссией по ЧС, существенное повышение качества принимаемого решения и его результативности.
Практическая ценность. Практическим результатом диссертационной работы является комплекс баз знаний и баз данных и методов их построения для интеллектуальной системы, предназначенной для поддержки принятия решений по управлению безопасностью промышленного предприятия. Типовая система управления безопасностью применяется ОАО «Химико-металлургический завод» (г. Красноярск). Ее применение целесообразно в подразделениях ГОЧС, несущих оперативное дежурство, в структурах Госгортехнадзора и службах безопасности промышленных предприятий, а также в качестве обучающей системы для руководителей объектов и специализированных формирований в соответствующих тренажерах.
Модель знаний по управлению безопасностью промышленных объектов может использоваться на региональном и территориальном уровнях - в Сибирском региональном центре МЧС РФ, в управлениях по делам ГО и ЧС.
Практическую ценность также представляют расширенные требования к декларациям промышленной безопасности потенциально опасных объектов.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации подтверждаются:
результатами системного анализа проблемы автоматизации процессов управления безопасностью промышленного объекта;
результатами анализа существующих методических и нормативных документов по проведению мероприятий аварийно-спасательных и других неотложных работ (АС и ДНР);
результатами применения предложенных в диссертации моделей и методов для управления промышленной безопасностью и риском на потенциально опасном объекте;
обоснованием перспективы дальнейшего развития предлагаемого подхода в системе Госгортехнадзора и МЧС России.
Апробация работы. Основные результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок докладывались на научных семинарах и конференциях в ИВМ СО РАН (1995-2003), посвя-
щенных проблемам безопасности промышленных объектов и безопасности региона. Результаты работы были представлены: на Международной научно-практической конференции «Спасение, защита, безопасность - новое в науке, технике, технологии» (Москва, 1995); Всероссийской конференции. "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1995-2000); Всероссийской конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций» (Красноярск, 1997); на V Международной конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 1999 г.), на научно-практическом семинаре «Проблемы промышленной безопасности (Красноярск, 2001).
Публикации и личный вклад автора. Все основные теоретические и практические результаты, изложенные в работе, получены непосредственно автором. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Основное содержание работы изложено на 140 страницах текста, содержит 18 рисунков, 15 таблиц. Список использованных источников включает 146 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой гляве показана актуальность проблемы автоматизированной поддержки системы управления ликвидацией ЧС. На основе анализа публикаций по данной тематике раскрыта важность информационного обеспечения процессов управления мероприятиями по ликвидации ЧС на всех стадиях их проведения.
Специфические особенности техногенных ЧС (быстротечность, сложность контроля, высокая опасность и др.) предъявляют особые требования к организации управления силами и средствами при их ликвидации. Системный анализ проблемы управления действиями сил и средств РСЧС основан на соотнесении всего процесса управления с характерными направлениями действий в ходе зарождения и развития ЧС.
Основное требование к системе обнаружения угрозы и факта возникновения аварий - своевременное обнаружение аварии еще на стадии «зарождения», начиная с предпосылок ее возникновения. Однако четкого механизма превентивного управления, направленного на поиск и устранение причин, приводящих к ЧС, пока не разработано.
Основы обеспечения безопасности промышленных объектов и анализа аварийного риска производственных объектов изложены во многих отечественных и зарубежных изданиях. В настоящее время разрабатывается и эксплуатируется ряд экспертных систем, предназначенных для оценки рисков ЧС на основе интеграции различньсх имитационных моделей. Недостатком этих систем является отсутствие адаптивного управления. На практике необходима многократная корректировка и дополнение управленческих решений на основе разведданных из очага ЧС, донесений о ходе работ и другой информации.
Комплексность задач защиты от ЧС требует новых подходов к их решению. В работе приводится обоснование применения систем превентивного и оперативного управления безопасностью и рисками в промышленности. Для решения всего комплекса задач, возникающих в процессе автоматизации работы ЛПР, требуется привлечение гибридных моделей знаний.
Исходя из результатов проведенных исследований, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе проанализированы основные причины техногенных ЧС, показаны их общие, наиболее характерные черты и закономерности.
На основе анализа классификации техногенных ЧС и сценариев их развития добавлены новые фазы в перечень «фаз жизни» техногенной аварии. Показано, что формирование знаний по управлению безопасностью и риском должно быть основано на типах аварий, причинах и фазах их зарождения и развития. Это позволяет выработать адекватную стратегию логического вывода для формирования решений по динамическому управлению безопасностью промышленного объекта.
Во второй части главы представлен анализ характерных сценариев техногенных ЧС. Сценарием развития ЧС называют модель процесса изменения обстановки, связанного с возникновением и развитием ЧС. Для построения сценариев развития аварийных ситуаций могут использоваться как знания экспертов, так и результаты моделирования данного процесса. В конечном итоге воспроизводится процесс зарождения отдельных предпосылок и перерастания их в причинно-следственную цепь возникновения аварии. Модель развития аварийной ситуации зависит от многих факторов:
от начальных условий, при которых исходные события ведут к развитию различных вариантов сценариев;
от оперативных условий для предприятия, которые ведут к развитию различных вариантов сценариев;
от того, на какие объекты опасное событие оказывает действие.
Далее показано, что при любых авариях имеется определенная общность происходящих процессов, фаз их развития, исходов и последствий, задач и способов действий по их решению. При этом вполне очевидно, что чем раньше силы и средства приступят к локализации и ликвидации аварии (на той или иной фазе), тем меньше будет число пострадавших и размер ущерба.
Предложена новая постановка проблемы управления безопасностью, основанная на расширении перечня «фаз жизни» техногенных ЧС за счет двух новых фаз: фазы накопления дефектов и фазы локализации. Первая позволяет конкретизировать момент зарождения аварии и возможность ее предотвращения, а вторая - обеспечить ликвидацию ЧС путем стабилизации очага и уменьшения действия опасных факторов.
Третья глава посвящена функционально-событийному моделированию процессов предупреждения и ликвидации ЧС.
Обоснована необходимость введения двухступенчатой системы управления безопасностью на промышленном предприятии. Первая ступень - превентивное управление, осуществляемое в плановом порядке и представляющее собой сис-
тему мероприятии, направленных на предотвращение причин возникновения ЧС. Вторая — оперативное управление, осуществляемое при угрозе или возникновении ЧС.
Система управления безопасностью промышленного объекта — это совокупность организационных структур предприятия и их деятельность оперативного и планового характера, направленная на проведение комплекса организационных и технических мер, обеспечивающих стабильность параметров технологического процесса и исключающих (или сводящих к минимуму) опасность возникновения аварийных ситуаций, ликвидацию аварий.
Далее в главе 3 описана модель оперативного управления ликвидацией ЧС с применением нотации IDEF0. Показано, что многоуровневая модель позволяет дифференцировать процесс до представления его в виде отдельных событий с минимальной продолжительностью. При этом каждый блок диаграмм обозначен как проблема, требующая решения. Сущность решения состоит в определении цели действий, способов ее достижения, сил, средств и времени, требующихся для этого, порядка действий в соответствии со складывающейся обстановкой. *
Завершающий раздел посвящен математическому описанию процесса ликвидации ЧС с помощью агрегированных сетей Петри. Аппарат сетей Петри используется для формализации процессов, описанных в нотации IDEF0, и служит основой для формирования агрегированных конструкций баз знаний.
В главе 4 описаны основные принципы построения гибридной модели знаний, основанной на сочетании продукционного и фреймового подходов и семантических сетей для представления стратегии логического вывода.
Предложенная гибридная модель знаний позволяет адекватно представить описанные на предварительных этапах системного анализа функционально-событийные модели. Используются следующие базовые типы знаний:
Для описания ситуаций развития сценариев ЧС используется фреймовая модель знаний.
Продукционные правила используются для представления событий, действий и условий их выполнения. Правила используются как в качестве присое-
диненных процедур во фреймах, так и для представления отношений в семантической сети. С. помощью правил представляются и эвристические критерии выбора решений.
Процедуры обеспечивают модельные расчеты: прогнозирование последствий ЧС, расчет зоны поражения и т.п.
Семантические сети представляют сценарии развития ЧС и стратегии логического вывода для формирования решений.
Фреймы-ситуации однозначно соответствуют вершинам сети Петри. Переходы сети Петри представляются семантическими сетями, правилами и процедурами.
Далее в главе 4 описаны принципы построения стратегий логического вывода и формирования решений. Обосновано применение эстафеты присоединенных процедур для получения рекомендаций ЛПР. Рассмотрены этапы построения стратегии логического вывода, алгоритм отбора по критериям.
В главе 5 представлены структура и состав информационных ресурсов интеллектуальной системы поддержки принятия управленческих решений по предупреждению и ликвидации ЧС на промышленном предприятии.
Информационные ресурсы включают базы данных и знаний, разработка структуры и содержания которых выполнена в рамках диссертационной работы. Приведено описание баз знаний и баз данных, их структура, а также перечень расчетных методик, необходимых для функционирования системы. Разработано 12 функционально специализированных баз знаний. Раскрыты назначение, структура баз знаний и методы представления информации. Более полно содержание баз знаний представлено в приложении 2 диссертации. Описаны также базы данных, которые являются необходимым информационным обеспечением баз знаний и содержат информацию о потенциально опасных объектах, о силах и средствах по ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Таким образом, выполнено проектирование системы функционально специализированных баз знаний и баз данных системы управления безопасностью промышленного объекта. Выполнено проектирование экспертной системы для
поддержки принятия решений по ликвидации техногенной ЧС. В главе 5 приведен состав системы, даны характеристики основных узлов, особенности настройки и описаны различные режимы функционирования.
В заключении перечислены полученные результаты, обоснована перспектива их применения и развития, сформулированы основные выводы.
В Приложении 1 приведено извлечение из Положения о системе управления промышленной безопасностью в ОАО «Химико-металлургический завод».
В Приложении 2 приведено краткое вербальное описание фрагментов баз знаний по ликвидации ЧС на промышленном объекте.
Приложение 3 иллюстрирует пример конкретной ЧС и рекомендации лицу, принимающему решение по ликвидации аварии на промышленном объекте, сгенерированные на основе баз данных и знаний системы.
Прилагаются также акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Автор выражает глубокую признательность научным руководителям: доктору технических наук Л.Ф. Ноженковой и кандидату технических наук В.В. Ничепорчуку за неоценимый вклад в работу, благодарит доктора технических наук A.M. Лепихина и начальника штаба по делам ГО и ЧС «ОАО ХМЗ» А.А. Петрова за полезные ценные замечания и рекомендации.
Особенности автоматизированной поддержки управления безопасностью на объектовом уровне
Развитие производственной и социальной сфер деятельности человека сопровождается усложнением промышленных технологий и расширением влияния на окружающую среду. Повышается опасность промышленных выбросов и производственных аварий [6,7,16].
Наблюдается устойчивая тенденция роста количества природных и техногенных чрезвычайных ситуаций и масштабов ущерба. Особенно насыщенным оказался период конца XX столетия: за последние 30 лет от природных и техногенных ЧС в мире пострадало более 3 миллиардов человек, 4 миллиона погибло, прямой экономический ущерб составил более 400 миллиардов долларов США [129.П0].
В России также наблюдается негативная тенденция роста количества и масштабов последствий природных и техногенных ЧС. Последствия ЧС не только отрицательно сказываются на состоянии экологии, экономики и безопасности государства в целом, но и выражаются в увеличении индивидуального риска. Переходный период в состоянии экономики нашей страны породил большое количество проблем, следствием которых является повышение риска промышленных катастроф [8,9,13].
Наиболее рациональным способом решения этих проблем на сегодняшний день является автоматизация производства, в том числе процессов управления, внедрение машинных методов обработки в узлах с большим количеством информации, там, где возникает критичность по времени и качеству управления. Для этого необходима разработка единой методической и программной базы по предупреждению ЧС и управлению их ликвидацией, которая, в силу разных причин, в Российской Федерации недостаточно развита [103]. Анализ системы управления на объекте экономики и, в целом, в системе РСЧС необходимо проводить, исходя из требований, определяющих состояние и готовность органов управления и сил к ликвидации ЧС. Эти требования определены нормативами МЧС [93]. При их формировании, прежде всего, должна учитываться специфика и особенности разных типов чрезвычайных ситуаций. Основными особенностями техногенных ЧС и их последствий являются: быстротечный, нередко цепной, характер; недостаточная контролируемость или полная неконтролируемость аномально протекающих процессов; высокая степень опасности поражения, как работающего персонала, так и населения, в случае аварии с аварийно химически-опасными веществами (АХОВ); сложность и высокая опасность обстановки, в которой должны проводиться аварийно-спасательные и другие неотложные работы (высокие концентрации АХОВ, возможные взрывы, пожары, сильные разрушения) [110,111]. Приведенные особенности и специфика обстановки предъявляют особые требования к организации управления и готовности органов управления, сил и средств в условиях предупреждения и ликвидации ЧС. К ним можно отнести: - необходимость обеспечения эффективности систем обнаружения угрозы (факта) возникновения аварии и оповещения о ней; - наличие организационной структуры, технической оснащенности и высокой подготовки дежурно-диспетчерских служб потенциально опасных объектов; - достаточная эффективность средств индивидуальной защиты людей и возможность их немедленного применения; - наличие эффективных технологий работ по локализации источников ЧС и обеззараживанию объектов окружающей среды; - наличие специальных сил и средств, способных немедленно приступить к работам по локализации источников ЧС, к проведению поисково-спасательных и других неотложных работ в этих сложных условиях; - четкость управления действиями всех сил и средств, особенно на первых фазах развития аварии [20,116]. Перечисленные положения должны служить основой для выбора приоритетов при оценке обстановки и принятии решения руководителем в случае предупреждения или ликвидации ЧС. Очевидно, что чем раньше силы и средства приступят к локализации и ликвидации ЧС на той или иной фазе их развития, тем меньше будут число пострадавших и размер ущерба. Для того чтобы глубже проанализировать проблемы в управлении действиями сил и средств РСЧС, необходимо весь процесс управления соотнести с характерными направлениями их действий в ходе зарождения и развития ЧС, вытекающими из основных направлений действий по ликвидации чрезвычайной ситуации: а) обнаружение предпосылок (угроз) и самого факта возникновения аварий; б) оповещение работающего персонала, а также населения в зонах возмож ного заражения; в) защита работающего персонала опасных объектов, населения в зонах возможного заражения и личного состава формирований, участвующих в ликвидации ЧС; г) локализация источников аварии и зон заражения; д) проведение аварийно-спасательных и других неотложных работ; е) оказание первой медицинской помощи пострадавшим и их эвакуация; ж) обеззараживание территорий и объектов окружающей среды; з) санитарная обработка людей; и) захоронение и утилизация отходов, образующихся в результате аварии и ее ликвидации; к) материально-техническое и финансовое обеспечение действий сил и средств в ходе ликвидации ЧС и другое. 1 Основное требование к системе обнаружения угрозы и факта возникновения аварий - своевременное обнаружение аварии еще на стадии «зарождения», начиная с предпосылок ее возникновения. Однако четкого механизма превентивного управления, направленного на поиск и устранение причин, приводящих к ЧС, пока не разработано [93].
Организационно-технической основой обнаружения факта возникновения аварий на потенциально опасных объектах являются системы контроля, управления, автоматической противо аварийной защиты технологических процессов и дежурно-диспетчерские службы предприятий. В настоящее время проводится внедрение таких систем, однако процесс тормозит необходимость больших финансовых затрат на закупку, монтаж и обслуживание специального оборудования. При современном состоянии экономики, подавляющее большинство предприятий не в состоянии внедрить системы мониторинга и контроля, поэтому необходимо ориентироваться на имеющиеся на предприятии внутренние резервы. Например, на создание новых и оптимизацию имеющихся систем и структур управления безопасностью и риском. Кроме того, серьезным недостатком систем обнаружения аварий на объектах экономики является отсутствие автоматизированных средств контроля за выбросами ядовитых веществ с определением их концентраций и зон распространения [1,2].
Классификация техногенных ЧС по характеру возникновения и развития
В настоящее время в рамках политики обеспечения безопасности населения и территорий России разработаны основные требования к оценке и анализу производственных рисков [14,30-33,45,47,50,53,69,70]. Эти требования заключаются в том, что для предприятий, имеющих опасные производства, вводится порядок лицензирования деятельности путем составления декларации промышленной безопасности опасных производственных объектов [44,101]. Декларирование позволяет выявить возможные сценарии возникновения и развития аварий (см. п.2.2.), оценить их вероятности и масштабы возможных последствий. Однако в Декларации безопасности промышленного объекта не предусмотрено требование обязательного создания системы управления промышленной безопасностью и риском. Это значит, что в такой постановке проблема предупреждения и ликвидации ЧС решается только частично, так как не предусматривает создание системы (механизма), эффективно использующего результаты анализа риска возникновения ЧС и выработки управляющего воздействия по его снижению. Система должна обеспечивать уровень приемлемой безопасности и риска как в условиях нормальной работы потенциально опасного объекта (ПОО), так и в случае угрозы или возникновения аварий и катастроф.
Из вышеизложенного следует, что система управления безопасностью должна иметь две ступени управления; 1, Превентивное управление, осуществляемое в плановом порядке и пред ставляющее собой систему мероприятий, направленных на предотвращение причин возникновения ЧС_ 2. Оперативное управление, осуществляемое при угрозе или возникновении ЧС- Оно включает в себя; - информирование персонала предприятия и населения близлежащих кварталов об аварийной обстановке и принимаемых мерах по обеспечению безопасности; - выявление, оценку и прогнозирование развития аварийной обстановки, формирования факторов техногенного воздействия на человека и окружающую среду; - организацию и осуществление аварийного технологического контроля, а также локализацию аварийных процессов; - выработку и принятие управленческих решений по локализации аварий (катастроф), предотвращению формирования опасных факторов техногенного воздействия, а также, в случае развития аварий, недопущению или максимально возможному ослаблению воздействия этих факторов на человека и окружающую природную среду, ликвидацию аварий; - доведение задач до специальных служб, сил и средств, подразделений аварийных объектов и других структур, привлекаемых для реализации принятых решений. В качестве типовой (базовой) модели системы управления безопасностью и риском на промышленном объекте [19,26] предлагается система управления промышленной безопасностью, разработанная для ОАО «Химико-металлургический завод». Модель системы и ее концептуальное описание разработаны автором диссертации под руководством главного инженера ОАО «ХМЗ» Е.М. Двинских и заместителя директора Сибирской научно-производственной ассоциации «Промышленная безопасность» СВ. Моппеля. Извлечение из Положения о системе управления промышленной безопасностью (СУПБ) в ОАО «Химико-металлургический завод» приведено в Приложении 1, Система управления промышленной безопасностью (СУПБ) ОАО «ХМЗ» -это совокупность организационных структур предприятия и их деятельность оперативного и планового характера, направленная на проведение комплекса организационных и технических мер, обеспечивающих стабильность парамет ров технологического процесса и исключающих (или сводящих к минимуму) опасность возникновения аварийных ситуаций, а также ликвидацию аварий. Предлагаемая модель СУПБ позволяет обеспечить управление безопасностью от момента разработки технического задания на проектирование до возникновения ЧС на объекте, ее локализации и ликвидации, то есть обеспечивает превентивное и оперативное управление безопасностью. Превентивное управление безопасностью осуществляется в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.1 и включает в себя: а) планирование работ в области промышленной безопасности; б) организацию и координацию работ; в) контроль выполнения; г) учет, анализ и оценку состояния, выявление причин отклонений и нару шений, прогноз. Планирование заключается в разработке планов мероприятий и графиков работ, направленных на предупреждение отказов, поломок, аварий и других инцидентов, ведущих к возникновению ЧС. Планирование осуществляется на основании требований нормативных документов и прогнозирования безопасности. Оно включает в себя перспективное и текущее планирование. Перспективное планирование заключается в разработке годового сводного плана работы предприятия по следующим направлениям (разделам): - обеспечение промышленной безопасности; - улучшение состояния промышленной безопасности; - предупреждение, локализация и ликвидация аварий и других ЧС и их последствий; " - - производственный контроль.
Двухступенчатое управление безопасностью промышленного предприятия
В зависимости от функциональных правил S формируется требуемая интерпретация сети Петри, обуславливающая ее конкретное применение. В случае моделирования процессов управления безопасностью позициям (местам) р, соответствуют состояния сценария развития ЧС, а переходам tj - управленческие воздействия на систему. На рис.3,12. изображен пример сети Петри.
В содержательном плане позиции отображают условия, а переходы - события. Наличие того или иного условия интерпретируется с помощью меток (фишек, маркеров), отображаемых в виде точек внутри позиции. Текущее состояние моделируемой системы определяется распределением маркеров по позициям сети и может быть представлено в виде вектора маркирования М, связывающего с каждой позицией целое неотрицательное число, равное числу маркеров, находящихся в данной позиции. Динамика поведения системы отображается перемещение маркеров по сети, которое осуществляется согласно следующим правилам:
К Переход tj называется разрешенным, если число маркеров в каждой его позиции не меньше числа ребер, ведущих от этой позиции к переходу tj или, то же самое, не меньше веса ребра (pi, Ъ) или кратности позиции
Переход, не имеющий входных позиций, всегда разрешен по определению. 2. Срабатывание возбужденного (разрешенного) перехода U изымает из каждой входной его позиции р число маркеров (фишек) равное весу ребра (pi, tj), а в каждую выходную позицию ро добавляется число маркеров, равное весу ребра (tj, pi). Процесс перемещения маркеров по сети называется выполнением сети, которое начинается с задания начальной маркировки Мо и продолжается до тех пор, пока есть разрешенные переходы. Среди множества свойств сети Петри, моделирующей ликвидацию техногенной ЧС, рассмотрим основные, присущие данной сети. 1) Сеть с приоритетами. В реальных дискретных системах имеют место ситуации, когда из двух готовых работать устройств требуется запустить пере ходы последовательно. Другими словами, одно из устройств имеет приоритет на запуск перед другим в том случае, если оба готовы работать. В общем слу чае эти ситуации не моделируются в сетях Петри в силу принятого в них пра вила срабатывания нескольких готовых к срабатыванию переходов. При использовании сетей с приоритетами вводится множество приоритетов PR, и с каждым переходом t сети Петри связывается его приоритет pr(t) э PR. В случае ликвидации ЧС часто объем работ превышает возможности формирований. Для этого случая предварительно вводятся приоритеты на виды работ. Например, формирование приступает к локализации источника только в том случае, когда выполнены основные мероприятия по защите людей на данном участке. 2) Раскрашенная сеть. Изначально все фишки в сетях Петри "безлики" и не отражают различия в дополнительных атрибутах, позволяющих более гибко управлять функционированием системы. Для адекватного описания реальных процессов можно использовать модификацию сетей Петри, в которой фишкам приписаны некоторые признаки, например, различные цвета, а условия сраба тываний переходов и правила изменения разметки сети задаются специальной таблицей, учитывающей цвета фишек. Для каждого перехода сети имеется индивидуальная таблица условий срабатывания. В ней столбцы, связанные с входными местами перехода, содержат сочетание конкретных признаков фишек, при которых переход может сработать. Столбцы, связанные с выходными местами перехода, указывают признаки, с которыми переход добавляет фишки в свои выходные места для каждого входного сочетания признаков. 3) Иерархическая сеть. В такой сети переходы разделяются на простые и составные. Иерархическая сеть функционирует, переходя от разметки к разметке, как и регулярная сеть, но правила функционирования иерархической сети отличаются от соответствующих правил для регулярной сети. Эти различия вызваны наличием составных переходов, срабатывание которых является не мгновенным событием, как в сетях Петри, а составным действием. Поэтому целесообразно говорить не о срабатывании составного перехода, а о его работе. В нашем случае выполнение сети Петри (реализация ЧС) представляет процесс получения исходных фактов и формирования новых фактов, что адекватно стратегии вывода, задаваемой семантической сетью (см. главу 4). Перечислим достоинства моделирования процесса техногенной ЧС с помощью сетей Петри; 1. Возможность наблюдения всего процесса в динамике при одновременном (параллельном) протекании отдельных процессов. 2. Простота перехода к другим методам алгоритмического описания, 3. Возможность изменения алгоритмического описания при уточнении проблемы. Вместе с тем существенным ограничением сети является громоздкое описание процессов для такой сложной предметной области, как техногенная ЧС. Многие переходы являются вероятностными, существует масса промежуточных состояний, которые невозможно учесть, переходы не всегда можно представить как дискретные процессы и т.п. При этом как отдельные элементы, так и вся сеть, легко формализуются. На рис.3 Л 3. приведена сеть Петри, моделируюшая процесс ликвидации техногенной ЧС. Здесь Р={рь .., різ} - состояния объектов управления; и) - управленческие воздействия; Р ={Ри „, Р4} - состояния опасного объекта, на который оказывается воздействие; Т ={Ті, ,., Т } -процессы, изменяющие состояния. Интерпретация позиций и переходов приведена ниже.
Многоуровневая агрегированная модель знаний по управлению процессом ликвидации техногенной ЧС
Спецификация слота включает: имя слота; тип значения слота; ограничение на значения слота (область значений); значение по умолчанию; связь с другими слотами, фреймами; и другую информацию, относящуюся к объекту.
Слотам (или фреймам) могут сопоставляться процедуры. Присоединенная процедура - это процедура, выполнение которой зависит от значения слота. Присоединенные процедуры обеспечивают процесс логического вывода во фреймовой системе. Фреймы - это совокупность декларативных и процедурных знаний.
Для стандартизации процессов интерпретации и применения присоединенных процедур применяются процедуры с типовыми условиями активации -демоны. Наиболее часто используемые демоны: if added (если добавлено значение слота), if removed (если удалено), if needed (если нужно), if change (если изменено).
Определим два типа фреймов: фрейм-описание и фрейм-экземпляр. Фрейм-описание представляет собой описание концепта, то есть структуру для заполнения информацией; а фреймэ слоты которого заполнены, является экземпляром фрейма. Одному описанию может соответствовать несколько экземпляров. Фреймы-описания заносятся в базу знаний, фреймы-экземпляры - в рабочую память интеллектуальной системы.
Свойства фреймовой системы — наследование и использование значений по умолчанию. Эти свойства позволяют воспроизвести объект по неполной информации, они используются в процессе логического вывода. Соотношение между фреймом—описанием и фреймом-экземпляром такое же, как между классом и объектом в объектно-ориентированном программировании, но они отличаются тем, что фреймовая система представляется и оперирует символьной информацией.
Семантическая сеть определяется как ориентированный граф, вершины которого представляют объекты, а дуги - отношения между объектами. Каждый объект в графе описывает некоторую ситуацию, этой ситуацией может быть сущность, концепция, явления, процесс. Две вершины и связь между ними определяет элементарный факт. Более сложные факты описываются более сложными графами, в которых содержится дополнительная информация, чтобы более полно раскрыть смысл описываемой ситуации. Для представления многоуровневой модели знаний в данной работе используются межфреймовые сети, вершинами такой семантической сети являются фреймы. В конкретной предметной области могут быть различные типы объектов и множество типов связей между ними, но можно выделить основные (или иногда их называют стандартными) типы объектов и связей. Определим некоторые из них. Обобщенный объект - это некоторое известное, широко используемое в моделируемой области понятие. Например: вещество, орудие труда, профессия. Обобщенный объект фактически определяет класс объектов. Конкретный объект — это единичная сущность, экземпляр из класса объектов. Например; хлор, СИЗ. Понятия обобщенный и конкретный объект относительны и зависят от конкретной ситуации. Агрегатный объект - это объект, состоящий из других объектов, явлений, процессов. Агрегатный объект может быть обобщенным и конкретным. Обобщенный объект не может быть частью конкретного объекта. Классификация объектов относительна, например: авария может рассматриваться как обобщенный объект (понятие), конкретный (конкретное событие) и агрегатный (состоящий из отдельных событий, концептов и т.п.). Типы связей в семантических сетях: 1) Родовидовая (is a kind of) (например: эвакуация - вид защиты). Вид наследует все свойства родового понятия. Родовое понятие может не охватывать всех свойств видового. 2) Является представителем (is а). Связь устанавливается между обобщенным объектом и конкретным объектом, один и тот же конкретный объект может представлять несколько обобщенных объектов. 3) Является частью (is a part of). Связь между агрегатным объектом и каким-то другим объектом, являющимся его частью. 4) Функциональные отношения, например, владеет , влияет и т.п. 5) Количественные отношения: больше1, меньше и т.п. 6) Пространственные: далеко1, близко и т.п. 7) Временные отношения: "раньше1, позже и тнп, 8) Атрибутивные отношения: иметь значение , иметь свойство и т.п. 9) Логико-лингвистические: ТГ, ІІЛИ НЕ и т.п. По количеству связываемых объектов, отношения могут быть: - бинарные (связаны две вершины сети). - N-нарные (связаны несколько вершин). По типу используемых отношений, семантические сети могут быть: - однородные (с одним типом отношений в сети). - неоднородные (с несколькими типами отношений). 4.2, Многоуровневая агрегированная модель знаний по управлению процессом ликвидации техногенной ЧС Предложенные в главе 3 функциональные модели процессов управления безопасностью промышленного объекта и математическая модель в форме сети Петри положены в основу системы представления знаний, позволяющей адекватно представить содержание процессов управления в форме многоуровневой гибридной модели знаний. При этом когнитивное представление процессов управления обладает существенными преимуществами по сравнению с абстрактной сетью Петри, поскольку обеспечивает более удобные и естественные механизмы логического вывода с точки зрения автоматизации, чем моделирование процесса функционирования сети Петри, Предлагаемые модели позволяют полностью имитировать процессы сети Петри.
