Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ОЦЕНИВАНИЮ РИСКА АВАРИЙ НА
ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ. 12
1.1. Объекты транспортировки нефти - потенциально опасные
объекты 12
Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов 18
Анализ риска аварий на объектах транспортировки нефти 20
1.3.1.Анализ риска аварий на магистральных
нефтепродуктопроводах 20
Г.3.2 Анализ риска аварий на водном транспорте нефти 31
1.4. Системный подход к анализу риска аварий на объектах
транспортировки нефти 34
1.4.1. Подходы к оцениванию показателей риска. 34
Г.4.2. Ранжирование объектов транспортировки нефти по
значениям показателей риска 37
1.4.3. Формализация учета степени неопределенности 39
1.4.4. Экспертное оценивание уровня потенциальной
опасности объектов транспортировки нефти 40
Постановка задачи исследования 42
Основные результаты и выводы по главе 1. 45
2. ОЦЕНИВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНОЙ КОМПОНЕНТЫ РИСКА ПРИ
ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТИ. 47
Факторы влияния на аварийность 47
Понятие копулы 49
Построение копулы 56
Двумерная кусочно-равномерная копула 56
Общее определение ^-мерной копулы 59
Моделирование зависимости случайных переменных 60
Максимизация энтропии 64
Произвольная зависимость факторов 67
Аппроксимация произвольной копулы 67
Сравнение кусочно-равномерной и нормальной копул 69
Оценивание вероятностной компоненты риска 71
Основные результаты и выводы по главе 2 76
3. ОЦЕНИВАНИЕ ТЯЖЕСТИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ ПРИ
ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТИ. 78
Оценивание компонент риска аварий при транспортировке нефти. 78
Формирование обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий 80
Случай экспоненциального распределения величин частных видов потенциального ущерба. 85
Случай экспоненциально-нормального распределения величин частных видов потенциального ущерба 87
Случай нормально-экспоненциального распределения величин частных видов потенциального ущерба 91
Случай нормального распределения величин частных видов потенциального ущерба. 93
Случай распределения Парето величин частных видов потенциального ущерба 97
Анализ компонент риска 101
Основные результаты и выводы по главе 3. 104
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ АНАЛИЗА И
ПРОГНОЗА АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ. 106
4.1. Расчет компонент риска для участков магистрального
нефтепродуктопровода 106
4.1.1. Оценивание вероятностей аварий на участках
магистрального нефтепродуктопровода. 106
4.1.2. Оценивание обобщенных интегральных показателей
тяжести последствий 112
Прогнозирование последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов 116
Создание и применение информационной системы «Банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов». 134
Основные результаты и выводы по главе 4. 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ФАКТОРЫ ВЛИЯНИЯ НА АВАРИЙНОСТЬ
ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ. 150
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БАЗЫ ДАННЫХ
ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ. 152
#
Введение к работе
Актуальность темы. Нефть и нефтепродукты относятся к числу основных типов энергоносителей, применяемых в народном хозяйстве Российской Федерации. Их эффективному использованию способствует развитая транспортная инфраструктура, позволяющая поставлять нефть и нефтепродукты в различные области страны и за рубеж.
Тем не менее, развитие и использование средств транспортировки нефти неизбежно влечет рост потенциальных опасностей, связанных с возникновением возможных аварий на соотвествующих объектах. Аварийные разливы нефти, происходящие как на суше, так и на поверхностях водоемов, приносят существенный экономический и экологический ущерб. Поэтому возникают задачи адекватной оценки потенциальных опасностей, а также принятия мер по предотвращению возможных ущербов и потерь. Решения этих задач должны стать составной частью процесса управления безопасностью в соответствующем регионе как социально-экономическом комплексе.
Актуальность решения названных задач нашла отражение в Федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 года» [39], ив аналогичной целевой программе [65] Республики Башкортостан. На организацию действий по предотвращению возникновения возможных аварий в связи с эксплуатацией объектов транспортировки нефти и нефтепродуктов направлены также Постановления Правительства Российской Федерации от 21 августа 2000 года № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» [61], и от 15 апреля 2002 года № 240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации» [60].
Решению вопроса оценки риска аварий на объектах транспортировки нефти и нефтепродуктов (ТНН) посвящены исследования и публикации многих отечественных ученых и специалистов — Р.Н. Бахтизина, В.Е. Гвоздева, А.И. Гражданкина, Д.В. Дегтярева, A.G. Едигарова, А.Н. Елохина, В.Г. Крымского, СЕ. Кутукова, М.В. Лисанова, Н.А. Махутова, P.P. Набиева, Г.Э. Одишария, СВ. Павлова, А.С Печеркина, Б.Е. Прусенко, B.C. Сафонова, Р.З.Хамитова, А.Н. Черноплекова, М.А.Шахраманьяна, А.А. Швыряева и других. Указанные во-
*
просы рассматриваются также в работах ряда зарубежных ученых, среди которых можно выделить Ч. Блэкмора, Л. Гооссенса, Р. Кука, Дж. Мэзера, X. Плюсса, Р. Согессера.
Тем не менее, круг нерешенных в этой области задач еще достаточно широк. Это объясняется как относительной новизной направления исследования, так и сложностью объектов анализа.
Необходимо отметить, что оценка степени потенциальной опасности объектов ТНН происходит в условиях неопределенности, которая в том числе носит характер неизвестности, неполноты и недостоверности в исходных данных. Эту особенность необходимо принимать во внимание при формировании результирующих оценок показателей риска. Учет неопределенности может быть реализован в рамках подходов, предложенных такими отечественными учеными и специалистами, как В.И. Васильев, В.Е. Гвоздев, Ю.М. Гусев, В.Н. Ефанов, Г.Н. Зверев, Б.Г. Ильясов, В.Г. Крымский, О.И. Ларичев, И.А. Рябинин, Е.Д. Соложенцев, Р.И. Трухаев, а также зарубежными - Дж.А. Вильсоном, К. Генестом, Е.Т. Джейнсом, М. Джоини, Р.Т. Клеменом, Р. Куком, Дж.Р. Маккензи, Т. Рейли.
Одним из путей снижения уровня неопределенности в исходных данных является применение процедур экспертного оценивания. В ситуациях, когда отсутствует представительная статистика, экспертные знания позволяют сформировать модель, которая необходима для поддержки принятия управленческих решений.
В настоящее время существуют методики расчета показателей риска аварий на объектах ТНН с привлечением результатов экспертного оценивания. Тем не менее, отмеченным методикам присущи значительные недостатки, связанные с отсутствием достаточных оснований для получения на их основе оценок вероятностей аварий, а также с затруднениями при формировании единых обобщенных показателей тяжести последствий. Это, в свою очередь, снижает достоверность оценивания риска в целом и может привести к неоптимальным управленческим решениям. Таким образом, задачи разработки методов и реализующих их алгоритмов определения показателей риска на объектах ТНН с учетом обработки и анализа информации, полученной в результате экспертного оценивания, остаются актуальными.
Цель работы. Разработка методов и реализующих их алгоритмов, предназначенных для информационной поддержки принятия решений на базе экспертного оценивания при определении степени потенциальной опасности объектов ТНН.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Разработка метода оценивания величины вероятности возникновения аварии на объекте ТНН на основе информации о субъективных вероятностях реализации факторов влияния на аварийность и сведений об их взаимосвязи, полученных с помощью экспертного оценивания.
Разработка метода формирования обобщенного показателя тяжести последствий аварий на объектах ТНН, учитывающего основные виды потенциального ущерба (причиняемого населению, техническим объектам и природной среде), их статистические характеристики, а также неопределенность в исходных данных, которые получены на основе экспертного оценивания.
Разработка алгоритма ранжирования объектов ТНН по степени их опасности с использованием полученных величин вероятностей возникновения аварий и обобщенных показателей тяжести последствий.
Разработка программных средств, применяемых для поддержки принятия решений при анализе аварийных ситуаций на объектах ТНН (распределенной модели, описывающей параметры распространения зон нефтяного загрязнения на поверхности водоемов; информационной системы для сбора, обработки и анализа данных об авариях на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов) с целью последующего обобщения указанной информации в рамках промышленного региона.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием ряда разделов и положений теории управления, системного анализа, методов математической статистики и теории вероятностей, теории информации, а также анализа риска.
Научная новизна.
1. На основе анализа факторов влияния на аварийность сформирована математическая модель, позволяющая определить вероятность безаварийного функционирования объекта ТНН. Построение модели основано на применении вероятностных распределений особого типа - так называемых функций связки, или копул. При этом:
- свойства каждого фактора влияния на аварийность, входящего в группу однотипных факторов, описываются частной функцией распределения вероятностей;
взаимосвязь факторов влияния на аварийность в соответствующей группе учтена на основе нормирования величин парных ранговых корреляций Спирмена или Кендалла;
получение плотности вероятностей копулы производится на основе принципа максимизации энтропии системы рассматриваемых случайных переменных, что позволяет уменьшить субъективизм при формировании модели.
2. Исходя из информации о частных видах потенциального ущерба, характе
ризующего аварийные ситуации (а именно — ущерба для населения, окружающей
природной среды и технических объектов), разработана процедура двухэтапного
определения обобщенного интегрального показателя тяжести последствий возмож
ных аварий на объектах ТЫН. При этом:
обобщенный интегральный показатель формируется с учетом функций распределения вероятностей для частных видов потенциального ущерба (он представляет собой аддитивную свертку усредненных нормированных показателей частных видов потенциального ущерба);
определение величин весовых коэффициентов в указанной свертке производится на основе принципа максимизации энтропии системы соответствующих случайных величин, что дает возможность повысить степень объективности получаемых в конечном счете суждений о последствиях аварий.
Вычисление обобщенных интегральных показателей тяжести последствий для различных объектов ТНН создает предпосылки для перехода от задачи многокритериального сравнения объектов по величине ожидаемого ущерба к задаче их сопоставления по скалярной оценочной функции.
Разработан алгоритм двухкритериального ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности, предполагающий использование найденных значений вероятностей возникновения аварий и обобщенных интегральных показателей тяжести последствий. Результаты ранжирования служат основой для принятия управленческих решений по обеспечению заданного уровня безопасности в соответствующем регионе.
Предложен модифицированный алгоритм определения конфигурации и пространственного состояния зон загрязнения поверхности водоемов разлившимися нефтью и нефтепродуктами, учитывающий совокупность влияющих природных и техногенных факторов и используемый при оценивании экономических потерь от аварий на объектах водного ТНН.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по формированию структуры и принципов функционирования системы стратегического и оперативного управления безопасностью на объектах транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов. По результатам выполненных работ были внедрены в Научно-исследовательском институте безопасности и жизнедеятельности Республики Башкортостан:
методика экспертного оценивания факторов влиния на аварийность объектов ТНН;
методика формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий для оценивания степени потенциальной опасности объектов ТНН;
программа моделирования распространения зон загрязнения водных объектов.
Внедрение указанных разработок позволило на 25% сократить время, затри-чиваемое на оценивание риска в связи с эксплуатацией объектов ТНН, а также повысить достоверность получаемых оценок, что увеличило эффективность управления безопасностью на этих объектах.
На защиту выносятся:
Метод и реализующие его алгоритмы определения величины вероятности возникновения аварий на объекте ТНН, учитывающие функции распределения субъективных вероятностей факторов влияния на аварийность и информацию о взаимосвязи этих факторов, которая получена на основе экспертного оценивания.
Метод и реализующие его алгоритмы формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий, учитывающие функции распределения вероятностей основных частных видов потенциального ущерба, исходные данные о которых получены на основе экспертного оценивания.
Алгоритм ранжирования объектов ТИН по степени опасности, использующий «принцип предосторожности» и учитывающий неопределенность в исходных данных.
Программные средства, осуществляющие поддержку принятия решений при оценивании показателей риска аварий на объектах ТНН (алгоритм и программа моделирования распространения зон нефтяного загрязнения на поверхностях водо-
#
емов; информационная система для сбора, обработки и анализа данных об авариях на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов).
Апробация работы. Результаты и положения исследовательской работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических и научно-практических конференциях:
1. II Международная научно-практическая конференция «Информацион
ные технологии в моделировании и управлении»: СПбГТУ, С.-Петербург,
2000.
2. Всероссийская конференция «Оценка и управление природными рис
ками»: ВНИИ ГОЧС, Москва, 2000.
IV Международная научно-практическая конференция «Биосферосов-местимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей средой»: Приволжский Дом знаний, Пенза, 2001.
Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации»: УГАТУ, Уфа, 2001.
III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: МЧС РБ, Уфа, 2002.
Научная конференция «Сергеевские чтения»: ИГЭ РАН, Москва, 2003.
Научно-практическая конференция «Экологические проблемы устойчивого развития Республики Башкортостан»: УППК, Уфа, 2004.
Международная научная школа «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах»: ИПМаш РАН, С.-Петербург, 2005.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы были опубликованы в 10 источниках, включая 6 статей, 3 материала научных конференций, 1 программный продукт, зарегистрированный в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 152 страниц машинописного текста, включающего в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 102 наименований и приложения.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее задачи, отмечается новизна и практическая ценность результатов.
В первой главе приведен обзор условий функционирования объектов ТНН, а также классифицированы возникающие аварии. Применительно к магистральным нефтепродуктопроводам и водным объектам ТНН проведен анализ существующих методик оценки риска. На основе системного подхода рассмотрены методы и алгоритмы обработки экспертной информации, а также подход к формализации степени неопределенности. На основе проведенного обзора сформулирована постановка задачи.
Вторая глава посвящена решению задачи определения вероятности возникновения аварии на объекте ТНН. Рассматриваются основные свойства специальных функций распределения вероятностей - копул, применительно к оценке вероятности возникновения аварии на объекте ТНН строится кусочно-равномерная аппроксимация, на основе которой, при использовании принципа максимизации энтропии, производится определение искомой вероятности.
Третья глава посвящена решению задачи формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий на объектах ТНН. Определение искомого показателя производится на основе принципа максимизации энтропии, т.е. с учетом исходной информационной неопределенности. Предложена методика ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности.
Четвертая глава посвящена рассмотрению методики определения конфигурации и пространственного местоположения пятна аварийного разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоема. Также рассматривается информационная система «Банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов» как составная часть системы по оцениванию риска возникновения аварий на объектах ТНН. Приводятся практические примеры по оцениванию степени потенциальной опасности объектов ТНН.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.
