Введение к работе
Актуальность. Решение проблем, которые относят к комплексным и мультидисциплинарным, требует развития методов системного анализа, представления и обработки информации, различной по степени формализации и структуризации. Подобная информация отражает знания экспертов, накопленные данные и знания, математические модели и др. Каждая научная дисциплина, знания которой используются для решения мультидисциплинарных проблем и задач, имеет собственную теоретическую и методологическую основу. Проблема состоит в агрегации накопленных в различных научных направлениях данных, знаний и методов их обработки в единую информационную среду.
Проблема исследования надежности и безопасности сложных технических систем (СТС) является комплексной, так как распространяется на все стадии и этапы жизненного цикла опасных техногенных объектов. Проблема является и мультидисциплинарной, так как требует учета взаимозависимых параметров, характеризующих предупредительные, контрольные и защитные мероприятия, изучаемых различными научными отраслями и дисциплинами.
Рассматриваемые в работе СТС и входящие в их состав уникальные механические системы (УМС) изготавливаются в единичных экземплярах, подвергаются экстремальным воздействиям нагрузок и сред и представляют опасность для людей и окружающей среды. Опасные компоненты рассматриваемых СТС, например, реакторы, емкости, трубопроводы и т.п., структурно не резервируются, т.к. их отказ не исключает аварии. Такие объекты не допускают активного эксперимента из-за того, что экспериментальные воздействия могут повредить дорогостоящий объект или разрушить его или привести к аварии и техногенной чрезвычайной ситуации (ЧС), поэтому их надежность и безопасность обеспечивается преимущественно расчетно-экспериментальными и эвристическими методами, относящимися к прочностной надежности и безопасности. К таким СТС относятся химико-технологические, нефтехимические, энергетические и подобные производства, включающие УМС типа реакторов и колон синтеза, котлов различного назначения, технологических трубопроводов, компрессоров и насосов высокого и сверхвысокого давления, применяемых при давлениях и температурах достигающих соответственно 320 МПа и 5000С.
Катастрофические отказы и аварии, обусловленные применением рассматриваемых СТС, характеризуются отсутствием не только представительной статистической выборки, но и повторяемости их причинно-следственных связей, т.е. катастрофические отказы и аварии являются уникальными процессами и событиями и для их прогнозирования затруднительно использовать вероятностно-статистические методы. Статистические методы должны рассматриваться на таком уровне структуры систем и их элементов, на котором можно выделить статистические объекты. Такой подход для оценки событий, нарушающих безопасность СТС и составляющих сценарии формирования ЧС, только формируется, и настоящая работа является определенным вкладом в его развитие.
Необходимо отметить, что количество взрывов, пожаров и выбросов ядовитых веществ в промышленности, энергетике и на трубопроводном транспорте не снижается. Социальные, экономические и экологические последствия техногенных ЧС обусловливают необходимость совершенствования научных основ обеспечения надежности и безопасности сложных технических систем.
Таким образом, актуальность работы связана с развитием принципов, методов, моделей представления и технологий обработки информации, направленных на обоснование рациональных свойств надежности и безопасности СТС.
Цель исследования. Разработать методологию создания инструментального средства для исследования мультидисциплинарной проблемы надежности и безопасности СТС, базирующуюся на агрегировании разработанных и существующих моделей, знаний и опыта, отражающих динамику состояний СТС.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются системный анализ, теория моделирования, теория множеств, информационные технологии, в том числе методы искусственного интеллекта, объектно-ориентированное проектирование и программирование.
Научная новизна. Полученные в работе результаты направлены на теоретическое развитие методов системного анализа, управления и обработки информации для решения актуальной прикладной проблемы обеспечения надежности и безопасности сложных технических систем:
Разработана методология построения инструментального средства для исследования свойств надежности и безопасности функционирования сложных технических систем, обеспечивающая структурирование, представление, накопление, обработку и использование информации из различных научных дисциплин, предметом исследования которых является обеспечение надежности и безопасности систем.
Создан новый метод декомпозиции объекта исследования, основанный на моделях декомпозиции структуры объекта, жизненного цикла объекта, информационных аспектов состояний объекта и процессов изменения состояний.
На основе предложенного метода декомпозиции разработана причинно-следственная модель объекта, включающая параметры, характеризующие функциональный, технический, физический аспекты состояний, и причинно-следственные связи на множестве параметров.
Представлен новый метод агрегирования математических, логических и информационных моделей данных и знаний и алгоритмов их обработки, основанный на предлагаемых моделях онтологий предметной и проблемной областей.
Создана гибридная информационная модель динамики состояний технической системы, основанная на предлагаемых причинно-следственной модели объекта и методе агрегирования.
Предложены новые модели и методы обработки причинно-следственной информации на основе прецедентного и продукционного подходов.
На основе предложенной методологии разработаны алгоритм, архитектура и исследовательская версия специализированного инструментального средства, позволяющего прогнозировать параметры приближения катастрофических отказов, аварийных ситуаций, аварий и техногенных ЧС.
Защищаемые положения:
Методология построения инструментального средства для исследования свойств надежности и безопасности функционирования сложных технических систем, которая обеспечивает структурирование, представление, накопление, обработку и использование информации из различных научных дисциплин.
Метод декомпозиции объекта исследования, обеспечивающий анализ и структурирование проблем и задач исследования свойств надежности и безопасности СТС.
Причинно-следственная модель объекта, описывающая функциональный, технический, физический аспекты процесса изменения состояний и обеспечивающая структурирование и представление информации для исследования и принятия решений.
Метод агрегирования математических, логических и информационных моделей данных и знаний и алгоритмов их обработки, который позволяет обрабатывать разнородную и взаимосвязанную информацию по заданной проблеме.
Гибридная информационная модель динамики состояний технической системы, которая позволяет выявлять закономерности изменения состояний объекта.
Модели и методы обработки причинно-следственной информации на основе прецедентного и продукционного подходов для обеспечения поддержки принятия решений при выборе свойств надежности и безопасности объекта.
Алгоритм, архитектура и исследовательская версия специализированного инструментального средства, включающего модуль онтологии, модули продукционной и прецедентной экспертных систем и позволяющего прогнозировать параметры наступления катастрофических отказов, аварийных ситуаций, аварий и техногенных ЧС и осуществлять поддержку принятия решений по предупреждению, ликвидации и снижению последствий ЧС.
Практическая значимость и реализация результатов. Предложенные подходы, методы, модели, алгоритмы и программная система использованы: Институтом машиноведения РАН (г. Москва) для проведения исследований по идентификации технического состояния и обеспечения надежности уникальных деталей машин и аппаратуры; при обосновании мероприятий Программы снижения риска и смягчения последствий природных и техногенных ЧС на территории Иркутской области на период 2002-2010 гг.; при разработке Концепции социально-экономического развития Иркутской области на 2006-2010 гг.; при разработке среднесрочной целевой Программы «Информатизация Иркутской области на период 2003-2006 гг.»; при разработке программных систем для оценки и восстановления технического состояния оборудования на Ростовском электровозоремонтном заводе, ЗАО «Восточно-Сибирская топливная компания», ОАО «Ангарская нефтехимическая компания».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 34 международных и 21 российских симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф (Красноярск, 1999, 2001, 2003); XII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Владимир-2003); Modelling and Analysis of Safety and Risk in Complex Systems. International Scientific School (Saint-Petersburg-2004); Международные научно-технические конференции «Интеллектуальные системы» и «Интеллектуальные САПР» (Таганрог-2004, Геленджик-2008); Пятая Международная конференция «Искусственный интеллект. Интеллектуальные многопроцессорные системы» (Украина, Кацивели, 2004, 2006); VIII Международная конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века» C&T*2007 (Воронеж-2007); X-th Joint International Scientific Events on INFORMATICS, XIII-th International Conference «Knowledge-Dialogue-Solutions» (Bulgaria, Varna–2007); Одиннадцатая Национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием (Дубна-2008); Международная конференция «Математическая теория систем» (Москва-2009); Международные конференции «Системный анализ и информационные технологии» САИТ (Обнинск-2007, Звенигород-2009); Девятая сессия Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, ИПМАШ РАН, 2009); Международные конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (ИПУ РАН, 2007, 2008, 2009).
Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации опубликованы в 82 статьях и научных докладах, в том числе 20 статей в изданиях из перечня ВАК РФ. Получен Патент на полезную модель, а также 6 свидетельств о регистрации программных продуктов и баз данных.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В основных научных работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны в [13-16] – принципы автоматизации исследований, в [5-8] – иерархическая декомпозиция объекта исследования на подсистемы, в [5,6,12,15,16] – модель причинно-следственного комплекса (закономерности) динамики состояний СТС, в [1,2,5,7,9,10-12,18,19] – гибридная информационная модель, отражающая закономерности (причинно-следственный комплекс) изменения технического состояния УМС и СТС, информационные модели объекта исследования, прецедента, продукций и метапродукций, в [1-4,6,7,9,11,14,17,19,20] – алгоритм организации мультидисциплинарных исследований, обеспечивающий моделирование динамики технического состояния, функции и структура программной системы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, содержит 251 страницу, в том числе 102 рис., 3 табл., список литературы из 280 названий, приложение на 17 стр. Всего 268 стр.
