Содержание к диссертации
Введение 9
Глава 1 Системный анализ химических производств как источников
промышленной и экологической опасности. Обзор существующих
подходов, методов, моделей и методик анализа и оценки риска
опасных техногенных объектов , , 23
1.1. Химическое производство как объект техногенной опасности.
Классификация чрезвычайных ситуаций техногенного характера
и видов ущербов 25
1.2. Использование методологии анализа и оценки риска для обеспе
чения безопасности химических производств 32
Риск: терминология, концепции, классификации 32
Подходы к анализу и оценке риска и обеспечению безопасности химических производств 49
1.3. Анализ и обзор методов, моделей и методик оценки риска,
негативных воздействий и последствий аварий на промышленных
объектах 53
Краткий обзор методов анализа отказов и рисков 53
Классификация, анализ и краткий обзор количественных методов и моделей оценки негативных воздействий опасных промышленных объектов 61
Анализ существующих методик оценки негативных воздействий химических производств и последствий аварий на химически опасных объектах 79
1.4. Использование автоматизированных информационных систем и
новых информационных технологий для управления безопасностью
химических производств 95
1.5.Выводы по главе 1 и направления научных исследований
диссертационной работы 99
Глава 2. Развитие теоретических основ, методов и моделей анализа и
оценки риска и управления промышленной безопасностью
химических производств с использованием новых информационных
технологий. „ 105
2.1. Задачи промышленной и экологической безопасности объекта ана
лиза и управления: химическое производство-окружающая среда 105
2.1.1 Общие закономерности и специфические особенности анализа и
оценки риска химических производств 107
2.1.2.3адачи анализа риска и управления безопасностью химических
производств на всех этапах жизненного цикла 120
2.2. Разработка интегрированных автоматизированных систем
управления (ИАСУ) безопасностью химических производств и моде
лей анализа и оценки риска 125
Разработка функциональной структуры ИАСУ безопасностью химических производств 131
Разработка логико-графических и логических моделей анализа риска и вероятностных моделей оценки риска для различных классов химических производств 142
2.3. Классификация и формализованные постановки задач управления
промышленной безопасностью химических производств І68
Постановки задач оптимального оперативного управления безопасностью химико-технологических систем и химических производств в условиях неопределенности 173
Разработка рекуррентных нейросетевых моделей оперативного управления безопасностью химико-технологических процессов 199
2.4. Разработка методического подхода к управлению промышленной
безопасностью химических производств с использованием системы
поддержки принятия решений (СППР) 207
2.4.1.Анализ существующих моделей, методов и компьютерных СППР 207
Разработка методического подхода и алгоритмов многокритериального принятия решений по оперативному управлению безопасностью химико-технологических систем и химических производств 215
Разработка методов и моделей принятия решений по оценке эффективности мероприятий, направленных на повышение безопасности химических производств на стадии реконструкции и модернизации 221
Разработка методического подхода к принятию решений по управлению безопасностью химических производств на стадии
проектирования 227
2.4.5.Разработка продукционных моделей представления знаний в СППР по оперативному управлению безопасностью непрерывных
химико-технологических систем 236
2.4.6.Разработка методов и моделей представления знаний на основе нечетких логических описаний в СППР по управлению безопасностью технологического оборудования с опасными химическими веществами
и периодических химических производств 245
Выводы по главе 2 253
Глава 3. Разработка моделей и алгоритмов обеспечения экологической безопасности химических производств (на примере загрязнения атмосферного воздуха) с использованием новых
информационных технологий 255
3.1. Разработка функциональной структуры интегрированной автоматизированной системы контроля и управления (ИАСУ)
качеством атмосферного воздуха 259
3.1.1. Разработка информационно-моделирующей подсистемы ИАСУ
качеством атмосферного воздуха 265
3.1.2. Разработка функциональной структуры системы поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха. .. 273 3.2.Разработка математического обеспечение для решения задач прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха, идентификации источников выбросов, оценки последствий аварий с выбросами
опасных химических веществ 279
3.2.1.Формулировки задач долгосрочного и оперативного
прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха постоянно
действующими и аварийными источниками выбросов. Численные и
статистические методы их решения 279
Разработка методик оценки экологических и социальных последствий аварий с выбросами опасных химических веществ 300
Формулировки задач идентификации постоянно действующих и аварийных источников выбросов. Численные и аналитические
методы их решения 314
3.3. Решение задач прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха и идентификации источников выбросов с использованием
аппарата искусственных нейронных сетей 319
З.З.ЬРазработка нейросетевых моделей прогнозирования загрязнения
атмосферного воздуха постоянно действующими источниками 322
3.3.2. Разработка нейросетевых моделей прогнозирования загрязнения
атмосферного воздуха в случае аварийных (залповых) выбросов 326
3.3.3.Использование аппарата искусственных нейронных сетей для решения задачи идентификации постоянно действующих и аварийных
источников выбросов 333
ЗАРазработка математического обеспечения для принятия решений по
управлению качеством атмосферного воздуха ...354
3.4Л. Формализованные постановки задач оптимального оперативного
и долгосрочного управления качеством атмосферного воздуха 355
Разработка методов и алгоритмов принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха 366
Разработка ситуационной советующей системы для анализа экологической обстановки и управления качеством атмосферного
воздуха на основе нечетких сетей Петри 383
Выводы по главе 3 l 392
Глава 4, Разработка информационного и программного обеспечения интегрированных автоматизированных систем управления безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха. .394
Сертифицированные программные средства анализа и оценки риска и тяжести последствий аварий на опасных промышленных объектах и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха 394
Требования к информационному и программному обеспечению комплексов программных средств (КПС) интегрированных автоматизированных систем управления безопасностью 400
4.3. Разработка структуры комплекса программных
средств интегрированной автоматизированной системы контроля
и управления (ИАСУ) качеством атмосферного воздуха 406
4.3.1. Структура распределенной базы данных КПС ИАСУ качеством
атмосферного воздуха 408
4.3.2, Разработка комплексов программных средств информационно-
моделирующей системы ИАСУ качеством атмосферного воздуха 411
4.3.3 Разработка комплекса программных средств системы поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха ... 422 4.4. Разработка структуры КПС ИАСУ безопасностью химических
производств 432
4.4.1.Создание распределенной базы данных для анализа
производственных опасностей, оценки риска и управления безопас
ностью химических производств 434
Разработка программно-алгоритмического обеспечения для анализа производственных опасностей, оценки риска и управления безопасностью химических производств 437
Комплекс программных средств для оценки последствий аварий на пожаро-, взрывооопасных промышленных объектах химических и
нефтеперерабатывающих производств 442
Выводы по главе 4 447
ГЛАВА 5. Практическое использование методов, моделей, алгоритмов
и комплексов программных средств для обеспечения безопасности
химических производств (на примере Новомосковской акционерной
компании "Азот") 448
Анализ и оценка Новомосковской акционерной компании (НАК) "Азот" как источника промышленной и экологической опасности 448
Идентификация постоянно действующих источников загрязнения атмосферного воздуха НАК "Азот" с использованием дискриминан-тного и нейросетевого подходов 474
Прогнозирование и идентификация аварийных источников выбросов НАК "Азот" с использованием нейросетевых моделей 483
Использование ситуационной советующей системы для анализа экологической обстановки, идентификации источников выбросов и выдачи рекомендаций по управлению качеством воздушной среды на территориях, прилегающих к Новомосковской акционерной компании
"Азот" 493
Выводы по главе 5 516
ГЛАВА 6. Практическое использование методов, моделей, алгорит
мов и комплексов программных средств для анализа, оценки риска
и управления промышленной безопасностью установки каталити
ческого крекинга 518
6.1.Анализ ОАО "Московский нефтеперерабатывающий завод" как
источника промышленной и экологической опасности 518
Использование комплекса программных средств для анализа производственных опасностей, оценки риска и управления безопасностью установки каталитического крекинга 524
Разработка нейросетевых моделей для управления безопасностью реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга 538
6.4 Разработка продукционных моделей представления знаний в системе поддержки принятия решений по управлению безопасностью
установки каталитического крекинга 547
Выводы по главе 6 562
Основные результаты и выводы по работе 563
Список литературы 565
Часть II. Приложения
Приложение 1. Результаты анализа и оценки риска при авариях на технологическом оборудовании с опасными химическими веществами
и периодических химических производствах 3
Приложение 2. Примеры использования нечетких логических моделей
для принятия решений по оперативному и долгосрочному управлению
безопасностью технологического оборудования с опасными химичес
кими веществами и периодических химических производств ...42
Приложение 3. Система аксиом, высказываний, предположений, примеры продукционных правил баз знаний и результаты использования ситуационной советующей системы для поддержки принятия решений по управлению качеством атмосферного воздуха (на примере НАК
"Азот") 62
Приложение 4. Результаты оценки экологических и социальных
последствий аварий с частичным разрушением емкостного оборудова
ния и трубопроводов с газообразными и сжиженными опасными хими
ческими веществами (на примере НАК "Азот") 115
Приложение 5. Результаты прогнозирования и расчетов фактических
ущербов от загрязнения атмосферного воздуха постоянно действую
щими источниками выбросов НАК "Азот" 133
Приложение 6. Исходные данные по основным производственным
опасностям установки каталитического крекинга Московского нефтепе
рерабатывающего завода. Логико-графические модели анализа риска
реакторно-регенераторного блока и блока ректификации установки. ... 154
Приложение 7. Использование теории принятия решений для анализа
и оценки эффективности мероприятий по снижению риска возникно
вения аварий установки ЭЛОУ-АВТ-6 на этапе и ее модернизации 162
Приложение 8. Экранные формы пользователей комплекса програм
мных средств ИАСУ безопасностью химических производств и качест
вом атмосферного воздуха 171
Приложение 9. Документы, подтверждающие результаты внедрения
диссертационной работы ..181
Список основных сокращений, принятых в диссертационной работе
АВПКО анализ видов последствий и критичности отказов
АВПО .^— анализ видов и последствий отказов АДО —_ анализ деревьев отказов
АДС анализ деревьев событий
АИУС - автоматизированная информационно-управляющая система
АОР анализ опасности и работоспособности
АРМ автоматизированное рабочее место
АСК - автоматизированная станция контроля
АСКА - автоматизированная система контроля атмосферы
АСОДУ - автоматизированная система оперативного диспетчерского
управления
АСУ ТП автоматизированная система управления техническими
процессами
АСЭМ - автоматизированная система экологического мониторинга
БД базы данных
БЗ базы знаний
ВЭ вычислительный эксперимент
ГЖ горючая жидкость
ГО гражданская оборона
ЕГСЭМ - единая государственная система экологического мониторинга
ЗАЗ зона активного загрязнения
ЗВ загрязняющее вещество
ЗПР - задача принятия решений
ИАСУ интегрированная автоматизированная система управления
ИЗА - индекс загрязнения атмосферного воздуха
ИИУС - интегрированная информационно-управляющая система
ИМС — информационно-моделирующая система
ИНС искусственная нейронная сеть
КИП контрольно-измерительные приборы
КПС -— комплекс программных средств
ЛВЖ легко воспламеняющаяся жидкость
ЛПР лицо, принимающее решение
МГУА методы группового учета аргументов
МНК метод наименьших квадратов
НАК "Азот" - Новомосковская акционерная компания "Азот" НПЗ - нефтеперерабатывающий завод
НТЦ научно-технический центр
ОВОС - оценка воздействия на окружающую среду
ОБУВ — ориентировочный безопасный уровень воздействия
ОНД —- общесоюзный нормативный документ
ОС окружающая среда
ОХВ опасное химическое вещество
ОШ —- огненный шар
ПАЗ - противоаварийная защита
ПАПВО последствия аварий на пожаро-, взрывоопасных объектах
ПДВ предельно допустимый выброс
ПДК предельно допустимая концентрация
ППП пакеты прикладных программ
ПС - программные средства
рд — руководящий документ
РСУ - распределенная система управления
PC ЧС - Российская система предупреждения и действий в чрезвьиайных
ситуациях
САО - система аварийного останова
СГА - система газового анализа
СДЯВ сильно действующее ядовитое вещество
СЖУГ сжатый углеводородный газ
СК - станция контроля
СІЛ IP система (подсистема) поддержки принятия решений
СУБД системы управления базами данных
СУГ сжиженный углеводородный газ
ТВС топливно-воздушная смесь
ТОКСИ — название методики оценки последствий химических аварий ХОО - химически опасный объект
ХП химическое предприятие
ХТП химико-технологический процесс
ХТС химико-технологическая система
ЧС чрезвычайная ситуация
ЭС экспертная система
SCADA - System Control and Data Acquisition
Введение к работе
Обеспечение промышленной и экологической безопасности является важной проблемой для современных химических производств. Проведенный анализ динамики аварийности на предприятиях химической промышленности и негативных воздействий, связанных с выбросами организованных постоянно действующих источников в окружающую среду показал, что отрасль является серьезным источником промышленной и экологической опасности. Для обеспечения безопасности химических производств в настоящее время используются три подхода:
традиционный, базирующийся на основах охраны труда и производственной безопасности, регламентирующий действия промышленно-производственного персонала при авариях на химически опасных объектах;
технологический, состоящий в разработке экологически безопасных высоконадежных химических производств с использованием интеллектуальных систем автоматизированного проектирования;
информационно-управляющий, состоящий в разработке автоматизированных систем диагностики неисправностей, прогнозирования аварийных состояний и управления эксплуатационной надежностью.
Указанные подходы не решают проблему создания систем управления безопасностью сложными иерархическими химическими производствами, функционирующими в условиях неопределенности.
Существующий уровень организации систем управления безопасностью химических производств значительно отстает от научно-технических достижений в области создания распределенных систем управления безопасностью в других отраслях промышленности (ядерной энергетике, машиностроении). Функциональные возможности распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами для обеспечения безопасности используются не полностью и ориентируются на автоматические системы блокировки и пожарозащиты. Недостаточно используются возможности новых информационных технологий для анализа производственных опасностей, оценки риска и управления безопасностью химических производств.
Приходится констатировать, что научно обоснованная в конце 80-х годов прошлого века академиком Легасовым В.А. [1] необходимость решения проблемы обеспечения безопасности химических производств с позиций системного подхода не получила достаточного развития в химической промышленности.
Вместе с тем, методы кибернетики и методология системного анализа химических процессов и производств, разработанные академиком Кафаровым В.В. [2,3,4], позволили его ученикам профессорам Дорохову [3,9], Перову В.Л. [6], Мешалкину В.Щ5], Палюху Б.В. [6,7] предложить теоретические основы повышения надежности и безопасности химических производств, а профессору Смирнову В.Н. [8] развить принципы комплексной автоматизации контроля и управления природно-промышленными комплексами: химическое производство-окружающая среда. Развитию теоретических основ экологической безопасности и методов оценки аварийного риска на химически опасных объектах большое внимание уделено в работах научной школы профессора Горского В.Г.
[11-16]. За рубежом задачи повышения безопасности химических производств рассматривались в работах Маршалла В. [17], Хенли Э. [18], Клетца Т. [19], относящихся к середине 70-х и 80-м годам прошлого века, однако эти работы имели, главным образом, описательный характер и не содержали системных рекомендаций к решению проблемы химической безопасности.
В этой связи, в диссертационной работе задачи управления безопасностью химических производств решаются с использованием новых информационных технологий, на основе системного подхода, развития методологии анализа риска и принципов создания качественно новых интеллектуальных систем - интегрированных автоматизированных систем управления промышленной и экологической безопасностью широким классом химически опасных объектов.
Цель работы и задачи исследований. Целью данной работы является развитие теоретических основ и принципов системного подхода к решению проблемы анализа, оценки риска и управления промышленной и экологической безопасностью химических производств с использованием новых информационных технологий и методов искусственного интеллекта [9, 10].
Для реализации поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
проведение системного анализа химических производств как источников промышленной и экологической опасности;
разработка принципов создания качественно новых интегрированных автоматизированных систем управления промышленной и экологической безопасностью химических производств на основе новых информационных технологий;
разработка методов, моделей и алгоритмов анализа и оценки риска и управления промышленной безопасностью различных классов химически опасных объектов с использованием методов системного анализа и искусственного интеллекта;
разработка методического подхода к управлению безопасностью химических производств с использованием интеллектуальных человеко-машинных систем поддержки принятия решений;
развитие методов искусственного интеллекта на основе аппарата искусственных нейронных сетей и нечетких логических рассуждений для решения задач прогнозирования и идентификации постоянно действующих и аварийных источников выбросов и управления качеством атмосферного воздуха;
разработка методического подхода к принятию решений по ситуационному управлению экологической безопасностью территорий, попадающих в зону негативных воздействий химических предприятий на основе создания компьютерной системы поддержки принятия решений;
разработка баз данных, баз знаний и комплексов программных средств интегрированных автоматизированных систем управления безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха;
практическое использование разработанных в диссертации принципов, методов, математических моделей и алгоритмов для решения задач обеспечения промышленной и экологической безопасности различных классов химических производств.
Диссертация выполнялась в рамках следующих научно-исследовательских работ:
НИР по фундаментальным исследованиям, выполняемой научно -педагогическим коллективом кафедры компьютерно-интегрированных систем в химической технологии по теме "Развитие теоретических основ и методов системного анализа для управления безопасностью химических производств на основе новых информационных технологий" (2003 г.г.);
НИР «Методология и программное обеспечение системы определения риска возникновения аварийных ситуаций на крупнотоннажных химических и нефтехимических производствах с целью повышения устойчивости их работы» федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки техники" на 2002-2006 годы блока «Поисково-прикладные исследования и разработки», раздела «Новые материалы и химические продукты», подраздел «Химические процессы» (Минпромнауки РФ);
гранта по фундаментальным исследованиям в области естественных наук «Разработка теоретических основ и математических методов анализа и оценки экологического риска, вызванного техногенными источниками опасности» (2001 -2002г.г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и выводов, изложенных на 591 страницах, содержит 119 рисунков, 54 таблицы, список литературы из 448 наименований и 9 приложений.
Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы цели и основные направления исследования.
В первой главе диссертации проведен системный анализ химических производств как источников промышленной и экологической опасности, представлен литературный обзор по проблемам анализа риска и экологической безопасности, на основе которого выполнено обобщение подходов и методов анализа и оценки риска и обоснована необходимость создания качественно новых систем управления безопасностью с использованием современных информационных технологий.
Предметом научных исследований в диссертационной работе является развитие научно-методологических основ системного анализа и управления промышленной и экологической безопасностью различных классов химически опасных объектов: крупнотоннажных непрерывно действующих установок химических производств; периодических химических производств; технологического оборудования с опасными химическими веществами.
Анализ химических производств как источников промышленной и экологической опасности предложено проводить исходя из методологии приемлемого риска; управление промышленной безопасностью осуществлять на основе нового информационно-управляющего подхода с использованием методов принятия решений и искусственного интеллекта, а экологической безопасностью - на основе ситуационного управления с использованием методов искусственного интеллекта.
В развитие методологии анализа и оценки риска в работе проведен ряд обобщений и классификаций. Предложена классификация рисков, в соответствии с которой в работе рассматриваются экономический, экологический и социальные виды техногенного риска в результате нормального функционирования и аварий на химически опасных объектах.
Выполнено обобщение подходов к анализу и оценке риска сложных систем, на основании которого предложена единая схема обеспечения промышленной и экологической безопасности химических производств на всех стадиях жизненного цикла, включающая комплексное решение задач: анализа химических производств как источников промышленной и экологической опасности; оценки их негативных воздействий на человека и окружающую среду в результате нормального функционирования и в случае аварий на них; управления безопасностью химических производств на всех этапах жизненного цикла природно-промышленного комплекса: химическое производство-окружающая среда. Проведен анализ методов и моделей количественной оценки риска и негативных воздействий опасных техногенных объектов на человека и окружающую среду. Определены классы задач промышленной и экологической безопасности, при решении которых в работе будут использоваться и развиты численные, статистические, вероятностные методы. Обоснована необходимость разработки интеллектуальных моделей - нейросетевых, продукционных, нечетких логических для формализованного представления знаний при создании качественно новых систем управления промышленной и экологической безопасностью химических производств.
В результате анализа химических производств как источников промышленной и экологической опасности и существующих подходов к решению данной проблемы исходя из концепции приемлемого риска, сделан вывод об отсутствии единого методологического подхода к созданию систем управления промышленной и экологической безопасностью различных классов химически опасных объектов; обоснована необходимость развития теоретических основ системного подхода и использования новых информационных технологий к обеспечению промышленной и экологической безопасности химических производств.
Вторая глава диссертации посвящена развитию теоретических основ и математических методов решения задач обеспечения промышленной безопасности химических производств на основе новых информационных технологий.
Для обеспечения промышленной и экологической безопасности химических производств с использованием системного подхода предложена иерархическая структура объекта анализа и управления безопасностью: химическое производство -окружающая среда и определены задачи обеспечения промышленной и экологической безопасности на различных уровнях иерархии химически опасных объектов. Для повышения безопасности химических производств в работе развит информационно-управляющий подход и предложены единые общесистемные принципы построения интегрированных автоматизированных систем управления промышленной и экологической безопасностью. Предложена функциональная структура интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ) промышленной безопасностью химических производств и
ее подсистем и разработано математическое обеспечение, включающее четыре группы моделей: для анализа и оценки риска, управления безопасностью и принятия решений по управлению безопасностью с использованием традиционных методов принятия решений и на основе методов искусственного интеллекта. Существенно развита методология анализа и оценки риска химически опасных объектов и получены следующие результаты.
Определены общие закономерности анализа и оценки риска в режимах нормального функционирования и в случае аварий на химических производствах. Для различных классов химических производств предложены основные этапы анализа и оценки риска и управления безопасностью, включающие: анализ источников опасности химических предприятий; разработку логико-графических и логических моделей анализа риска и вероятностных моделей оценки риска,ранжирование сценариев развития аварий по степени их опасности; построение многоуровневых логико-графических моделей для управления безопасностью химически опасных объектов и определение управляющих решений с использованием неиросетевых, продукционных и нечетких логических моделей.
В результате системного анализа различных классов химически опасных объектов определены специфические особенности анализа и оценки риска и управления безопасностью химических производств на стадиях функционирования и проектирования. Эти особенности связаны с различной природой причин возникновения отказов и аварийных ситуаций, сценариями их развития и возможностью управления безопасностью химических производств. С учетом этих особенностей для всех классов химически опасных объектов разработаны логико-графические и логические модели анализа риска и вероятностные модели оценки риска.
На основе системного подхода к анализу различных классов химически опасных объектов как источников риска и промышленной опасности в работе впервые предложены логические модели анализа риска и вероятностные модели оценки риска для непрерывных химико-технологических систем (ХТС), периодических химико-технологических процессов (ХТП), технологического оборудования с опасными химическими веществами (ОХВ). Эти модели позволяют формализовано описать последовательность стадий возникновения и развития аварий на химически опасных объектах. В отличие от известных моделей анализа и оценки риска предложенные в работе логические и вероятностные модели предназначены для анализа риска на всех этапах развития аварии, направлены на последующее их использование для управления безопасностью, применимы для любых видов рисков и классов химически опасных объектов и учитывают специфику источника опасности - химически опасного объекта.
Одной из основных задач научных исследований по обеспечению промышленной безопасности химических производств с использованием новых информационных технологий является решение задач управления безопасностью. В работе впервые проведена классификация задач управления безопасностью химических производств (ХП) и разработаны методы и модели для решения следующих задач:
оперативного управления безопасностью ХТС и ХП в условиях неопределенности;
оперативного управления безопасностью непрерывных ХТП и ХТС с целью предотвращения возникновения отказов и аварийных ситуаций с использованием нейросетевых моделей и продукционных моделей из баз данных системы поддержки принятия решений (СППР);
многокритериального принятия решений по оперативному и долгосрочному управлению безопасностью ХТС и ХП на стадиях функционирования, реконструкции, модернизации с использованием системы поддержки принятия решений;
принятия оперативных и долгосрочных решений, направленных на повышение безопасности технологического оборудования с ОХВ на основе нечетких множеств.
Предложен единый методологический подход к созданию многоуровневых систем управления промышленной безопасностью химических производств на всех стадиях возникновения и развития аварии с учетом специфических особенностей различных классов химически опасных объектов, разработаны логико-графические модели для управления безопасностью различных классов химических производств.
Предложены постановки задач оптимального оперативного управления безопасностью химико-технологических систем и химических производств в условиях неопределенности возникновения и развития аварийных ситуаций как задач поиска оптимальных управляющих решений на различных уровнях управления безопасностью, направленных на минимизацию всех видов ущербов при ограничениях на допустимые или приемлемые уровни рисков.
Предложены принципиально новые нейросетевые модели оперативного управления безопасностью химико-технологических процессов на основе архитектур рекуррентных нейронных сетей.
В работе предложен подход к управлению промышленной безопасностью различных химических производств с использованием системы поддержки принятия решений. Обоснована перспективность использования как традиционных моделей и методов принятия решений по управлению безопасностью, так и необходимость разработки моделей на основе искусственного интеллекта. Проведена классификация задач, моделей и методов принятия решений по управлению промышленной безопасностью химических производств и решены задачи: многокритериального принятия решений по оперативному управлению безопасностью непрерывных ХТС и ХП и долгосрочному на стадиях реконструкции и проектирования ХТС и ХП.
В работе развиты теоретические основы создания компьютерных систем поддержки принятия решений в ИАСУ безопасностью химических производств на основе методов искусственного интеллекта и разработаны нечеткие логические и продукционные модели для двух классов задач.
Первый - задачи составления формализованного описания для оперативного принятия решений по управлению безопасностью непрерывных химико-технологических систем с целью предотвращения возникновения отказов и их развития в аварийные ситуации.
Второй - задачи составления формализованного описания на основе обработки качественной информации для поиска управляющих воздействий в системах поддержки принятия решений по оперативному и долгосрочному управлению безопасностью в результате возникновения аварий на технологическом оборудовании с ОХВ и периодических химических производствах.
Для решения первого класса задач принятия оперативных решений по управлению безопасностью непрерывных ХТС с использованием СППР предложены продукционные правила для первых трех уровней управления безопасностью: по управлению технологическими параметрами процессов с целью предотвращения возникновения отказов или аварийных ситуаций на установке в результате отклонения данных технологических параметров от нормы и по недопущению развития аварии с выходом за пределы технологического аппарата и блока за счет включения системы аварийного взрывоподавления, останова и блокировки оборудования.
Для второго класса задач принятия решений по оперативному и долгосрочному управлению безопасностью на технологическом оборудовании с ОХВ предложено использовать нечеткие логические модели для анализа и оценки уровня качества управления безопасностью объекта и расчета управляющих воздействий, направленных на повышение безопасности химически опасного объекта на различных уровнях управления безопасностью.
Таким образом, в результате проведенных теоретических исследований по системному анализу и управлению промышленной безопасностью различных классов химических производств: предложен подход к решению данной проблемы на основе новых информационных технологий и развиты теоретические основы методологии анализа и оценки риска и управления безопасностью химических производств с использованием методов поддержки принятия решений и искусственного интеллекта.
В третьей главе диссертации с позиций системного анализа предложен подход к обеспечению экологической безопасности химических производств, разработаны методы, модели и алгоритмы решения задач прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха, идентификации источников выбросов и управления качеством воздушной среды на основе новых информационных технологий.
Впервые предложена функциональная структура ИАСУ качеством атмосферного воздуха на территориях, прилегающих к промышленным предприятиям и разработаны функциональные структуры ее подсистем. В рамках создания математического обеспечения ИАСУ качеством атмосферного воздуха в работе предложены: численные и статистические модели и методы долгосрочного и оперативного прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха; новые оригинальные постановки задач идентификации источников выбросов; методы и модели для оценки экологических и социальных последствий аварий с выбросами ОХВ.
Разработаны принципиально новые модели и методы решения задач оперативного прогнозирования и идентификации на основе аппарата искусственных нейронных сетей. Предложены следующие нейросетевые модели:
оперативного прогнозирования концентраций загрязняющих веществ на заданное время по выбранному набору предикторов и заданное расстояние;
прогнозирования концентраций ОХВ в результате аварийных выбросов для различных типов источников при известных метеоусловиях;
прогнозирования характеристик зоны загрязнения в результате аварийного выброса по замерам концентраций загрязняющих веществ, полученным на разных станциях контроля и метеоусловиям^
идентификации постоянно действующих источников как задачи распознавания образов по расстоянию от возможного источника выброса и по замерам на одной станции контроля;
идентификации аварийных источников выбросов по результатам замеров на одной и нескольких станций контроля.
В работе сформулированы задачи оперативного и долгосрочного управления качеством атмосферного воздуха, вызванного его загрязнением в результате выбросов постоянно действующих источников и при авариях с выбросами ОХВ. Предложены задачи и методы их решения на основе традиционных подходов как задач поиска оптимальных управляющих решений, направленных на минимизацию ущербов, которые наносятся окружающей среде в результате функционирования постоянно действующих источников выбросов и аварий с выбросами ОХВ и с использованием СППР ИАСУ качеством атмосферного воздуха на основе продукционных, нейросетевых и нечетких логических моделей. Разработана функциональная структура СППР ИАСУ качеством атмосферного воздуха и ее математическое обеспечение.
Для анализа экологической обстановки и идентификации источников выбросов в условиях неопределенности и выдачи рекомендаций по управлению качеством воздушной среды лицам, принимающим решения: технологам производств, службам гражданской обороны (ГО) и по чрезвычайным ситуациям (ЧС), службам экологического мониторинга предприятий и территорий разработана ситуационная советующая система на основе нечетких сетей Петри и алгоритмов нечетких логических рассуждений.
Четвертая главЬ посвящена разработке информационного и программного обеспечения ИАСУ безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха.
В работе проведе ї анализ сертифицированных программных средств для анализа и оценки риска и тяжести последствий аварий и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха. С использованием предложенного в главах 2 и 3 системного подхода к обеспечению промышленной и экологической безопасности химических производств, моделей анализа и оценки риска, управления безопасностью, прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха и идентификации источников выбросов разработаны функциональные структуры комплексов программных средств ИАСУ безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха. Основными функциональными составляющими комплексов являются информационное и прикладное программное обеспечение.
Комплекс программных средств ИАСУ безопасностью химических производств включает: информационную подсистему, реализованную в виде распре-
деленной базы данных для анализа производственных опасностей, оценки риска и управления безопасностью и комплексы программных средств, реализованные в виде пакетов прикладных программ для анализа производственных опасностей, оценки риска и последствий аварий и управления безопасностью. В комплексах используется предложенные в работе модели анализа и оценки риска, стандартные методики оценки последствий аварий со взрывами и пожарами, базы данных, базы знаний, экспертые системы и алгоритмы управления безопасностью ХТП и ХТС, реализующие нейросетевые и нечеткие логические модели.
Комплекс программных средств ИАСУ качеством атмосферного воздуха включает:
- информационную подсистему, содержащую распределенные базы данных по
источникам выбросов, предельно допустимым концентрациям загрязняющих
веществ, станциям контроля;
-комплексы программных средств блоков прогнозирования и идентификации, а также информационно-моделирующую систему для анализа и оценки экологических последствий аварий с выбросами ОХВ;
- программные средства системы поддержки принятия решений по управлению
качеством атмосферного воздуха: базы данных вычислительных экспериментов
по долгосрочному и оперативному прогнозированию последствий аварий с вы
бросами ОХВ и базы знаний ситуационной советующей системы для анализа
экологической обстановки, идентификации источников выбросов и принятия
решений по управлению качеством воздушной среды.
В пятой главе представлены результаты практического использования разработанных в диссертации моделей, методов и комплексов программных средств для анализа Новомосковской акционерной кампании "Азот" как источника промышленной и экологической опасности и разработаны методы, модели и алгоритмы анализа и оценки риска, прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха, идентификации источников выбросов и управления промышленной и экологической безопасностью данного предприятия.
Для рассматриваемого объекта решены следующие задачи:
- с использованием логико-графических, логических и вероятностных моде
лей анализа и оценки риска проведен анализ технологического оборудова
ния с ОХВ как объектов риска, а с использованием моделей прогнозирова
ния и оценки экологических и социальных последствий аварий -проведен
анализ этих объектов как источников экологической и социальной опасно
сти, проведено ранжирование сценариев развития аварий на этих объектах
по рискам и ущербам;
- с использованием разработанных нечетких логических моделей управления
безопасностью в результате возникновения аварий на технологическом обору
довании с ОХВ проведен анализ управляющих воздействий для различных
уровней управления безопасностью, оценка качества управления безопасно
стью и рекомендованы решения, направленные на повышение безопасности та
ких объектов;
с использованием разработанных дискриминантного и нейросетевого подходов проведена идентификация постоянно действующих источников выбросов загрязняющих веществ и дан сравнительный анализ предложенных подходов;
с использованием нейросетевых моделей проведено прогнозирование загрязнения воздушной среды и получены результаты оперативного прогнозирования загрязнения воздушной среды постоянно действующими источниками на заданное время и расстояние, прогнозирования в результате аварий с выбросами ОХВ;
на примере постоянно действующих источников выбросов аммиака и потенциальных аварийных источников, расположенных на территории предприятия разработана ситуационная советующая система для анализа экологической обстановки, идентификации источников выбросов и выдачи рекомендаций лицам, принимающим решения, по управлению качеством атмосферного воздуха: технологам производств, работникам служб экологического мониторинга, службам ГО и ЧС.
В шестой главе представлены результаты практического использования моделей, методов и комплексов программных средств для анализа, оценки риска и управления промышленной безопасностью на примере установки каталитического крекинга и ректификации Московского нефтеперерабатывающего завода и предложены решения по управлению безопасностью установки.
В ходе анализа производственных опасностей установлены причинно-следственные связи: отказы - ситуации -факторы -риски. Для типовых аварийных ситуаций предложены обобщенные логико-графические модели анализа риска, проведена их декомпозиция, в соответствии с логической моделью анализа риска определены возможные сценарии развития аварий и выполнена оценка рисков по вероятностной модели.
Для управления безопасностью объектом предложены логико-графические модели и реализованы нейросетевые и продукционные модели для управления безопасностью реакторно-регенераторного блока с целью предотвращения возникновения отказов, аварийных ситуаций и их развития с выходом за пределы аппарата и блока.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые с использованием принципов системного анализа предложен единый методологический подход к обеспечению промышленной и экологической безопасности химических производств на стадиях функционирования, реконструкции, модернизации и проектирования;
развиты теоретические основы системного подхода к решению проблемы анализа и оценки риска и управления промышленной и экологической безопасностью химических производств;
предложен методический подход к созданию качественно новых типов интеллектуальных систем - интегрированных автоматизированных систем управления безопасностью, объединяющих на основе распределенных баз данных и локальных вычислительных сетей в единую структуру информационно-моделирующие и управляющие системы и программно-технические средства для решения широкого класса задач управления промышленной и
экологической безопасностью химических производств. Разработаны функциональные структуры ИАСУ безопасностью химических производств и ИАСУ качеством атмосферного воздуха и предложены пути функциональной, математической, информационной и программно-алгоритмической интеграции;
с позиций системного подхода развиты теоретические основы анализа, оценки риска и управления безопасностью различных классов химических производств с учетом их специфических особенностей как источников промышленной опасности, новизна которого заключается в создании обобщенных логико-графических моделей анализа риска, декомпозиции и составлении на их основе логических моделей анализа риска, разработке в соответствии с ними вероятностных моделей оценки риска и логико-графических моделей управления безопасностью;
предложен принципиально новый подход к созданию многоуровневых систем управления промышленной безопасностью химических производств на всех стадиях возникновения и развития аварии с учетом специфических особенностей различных классов химически опасных объектов, в отличие от традиционных, базирующийся на методологии анализа риска и использовании методов искусственного интеллекта;
предложен методический подход к оперативному и долгосрочному принятию решений по управлению безопасностью химических производств на стадиях функционирования, реконструкции, проектирования, заключающийся в поиске перспективных решений многокритериальных задач управления безопасностью в дискретных детерминированных условиях и реализации этих решений в системах поддержки принятия решений с целью обеспечения безопасности химико-технологических процессов и производств на всех стадиях жизненного цикла;
предложен новый подход к принятию решений по управлению безопасностью химических производств с использованием методов искусственного интеллекта и разработаны нечеткие логические и продукционные модели представления знаний и логического вывода для систем поддержки принятия решений ИАСУ безопасностью для различных классов химически опасных объектов и задач управления безопасностью;
предложены принципиально новые нейросетевые модели оперативного управления безопасностью химико-технологических процессов на основе архитектур рекуррентных нейронных сетей, позволяющие в режиме реального времени рассчитывать управляющие воздействия по предотвращению возникновения отказов и аварийных ситуаций с учетом управляющих решений, принятых в предыдущий момент времени;
развиты теоретические основы решения проблемы обеспечения экологической безопасности территорий, прилегающих к химическим предприятиям, включающей: прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха, идентификацию источников выбросов, управление качеством воздушной среды на основе создания ИАСУ качеством атмосферного воздуха, отличающейся от известных: наличием интеллектуального ядра в виде блока нейросетевого моделирования; высокой степенью внутренней и внешней интеграции; на-
личием системы поддержки принятия решений по управлению качеством воздушной среды;
разработаны впервые и не имеют аналогов постановки задач идентификации постоянно действующих источников выбросов как задач распознавания образов и предложены постановки задач идентификации аварийных источников выбросов мгновенных точечных и продолжительного времени действия и численные методы их решения;
предложен принципиально новый подход к решению задач прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха и идентификации источников выбросов с использованием аппарата искусственных нейронных сетей и разработаны нейросетевые модели оперативного прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха постоянно действующими источниками на заданное время и расстояние, прогнозирования последствий аварий с выбросами опасных химических веществ и идентификации источников выбросов всех типов;
предложен подход к принятию решений по управлению качеством атмосферного воздуха с использованием методов поддержки принятия решений и искусственного интеллекта: нейронных сетей и нечетких логических рассуждений;
развиты теоретические основы создания ситуационных советующих систем поддержки принятия решений, реализующих нечеткие базы знаний и алгоритмы нечетких логических рассуждений. Разработана гибридная ситуационная экспертная система для анализа экологической обстановки, идентификации источников выбросов и управления качеством атмосферного воздуха.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности
Разработано информационное и программно-алгоритмическое обеспечение, базы данных и базы знаний и комплексы программных средств ИАСУ безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха для решения широкого круга проблемно ориентированных задач экологической и промышленной безопасности.
Комплексы программных средств реализованы в архитектуре клиент-сервер, включающей распределенные базы данных, пакеты прикладных программ, информационно-моделирующие системы и ситуационные советующие системы. Распределенные базы данных информационных подсистем ИАСУ и базы данных вычислительных экспериментов систем поддержки принятия решений ИАСУ реализованы в СУБД Oracle 7.0 и Interbase 5.6. Прикладное программное обеспечение и базы знаний СППР ИАСУ промышленной и экологической безопасностью реализованы в среде Borland Delphi и предназначены для работы в операционной системе Windows.
С использованием разработанного математического и программно-алгоритмического обеспечения проведен анализ промышленных предприятий: Новомосковской акционерной кампании "Азот" и Московского нефтеперерабатывающего завода как источников промышленной и экологической опасности; получены результаты оценки экономического, экологического и социальных видов рисков и тяжести последствий аварий; с использованием методов принятия решений проведено ранжирование потенциально опасных объектов по степени их опасности; разработаны правила и нечеткие логические и продукцион-
ные модели принятия решений по управлению безопасностью при авариях на технологическом оборудовании с ОХВ и по оперативному управлению безопасностью реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга.
Комплекс программных средств для анализа экологической обстановки и управления качеством атмосферного воздуха на территориях, прилегающих к химическим предприятиям, передан Государственному инженерному центру комплексной автоматизации и фирме "ЭКОМ" (г.Новомосковск) для использования в автоматизированных системах экологического мониторинга территорий и предприятий, службах ГО и ЧС для поддержки лиц, принимающих решения по управлению экологической безопасностью населения и окружающей среды, попадающих в зоны негативных воздействий химических предприятий.
Разработанные математические методы, модели и комплексы программных средств ИАСУ безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха используется в учебном процессе при изучении курсов "Использование принципов искусственного интеллекта в системах управления гибкими химическими производствами" и "Компьютерные системы проектирования гибких химических производств" на кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева и в качестве программно-алгоритмического обеспечения для выполнения лабораторных, курсовых и дипломных работ студентов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 26 международных, 2 Всероссийских и 4-х межвузовских и научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: V Международной научной конференции "Методы кибернетики ХТП" (КХТП-М-99); XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (г.Владимир, 1998, Великий Новгород, 1999; Санкт-Петербург, 2000; Смоленск, 2001; Тамбов, 2002; Ростов/н Д, 2003); XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003), Международных конференциях «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, МГУИЭ, 2000, 2002 г.г); VII и VIII Всероссийских научно-практических конференциях "Техносферная безопасность" (Ростов/н Д -Новочеркасск-Туапсе, 2002, 2003г.г.), II научной конференции "Экология и рациональное природопользование" (Санкт-Петербург (СПГГУ, 2002); X, XI Международных конференциях "Проблемы управления безопасностью сложных систем" (Москва, ИЛУ, 2002, 2003); Международной конференции "Химическое образование и развитие общества" (Москва, 2000 г); Международном симпозиуме ISCAPE (Колумбия, 2000 г.), XV Международном конгрессе по химическим и инженерным процессам (CHISA '2002), Чехия; XII, XIII, XIV, XV Международных конференциях «Process Control», Чехия 2000 , 2002, Словакия, 2001, 2003.
Таким образом, в диссертационной работе с позиций системного подхода решена крупная научная проблема развития методологических принципов анализа, оценки риска и управления промышленной и экологической безопасностью широкого класса химически опасных объектов на стадиях функционирования, реконструкции, модернизации, проектирования на основе новых информационных технологий и методов искусственного интеллекта, имеющая важное
хозяйственное значение для производств химической и смежных отраслей промышленности.
На защиту выносится следующий круг вопросов:
единые методологические принципы создания систем управления промышленной и экологической безопасностью различных классов химически опасных объектов на стадиях функционирования, реконструкции, модернизации и проектирования, включающие комплексное решение задач: анализа химических производств как источников промышленной и экологической опасности; оценки их негативных воздействий на человека и окружающую среду и управление безопасностью;
теоретические основы управления безопасностью химических производств с использованием новых информационных технологий, на основе системного подхода, методологии анализа риска и принципов создания качественно новых интеллектуальных человеко-машинных интегрированных автоматизированных систем управления промышленной и экологической безопасностью, объединяющих на основе распределенных баз данных и локальных вычислительных сетей в единую структуру информационно-моделирующие и управляющие системы и программно-технические средства для решения широкого класса задач управления промышленной и экологической безопасностью;
теоретические основы, методы, модели и алгоритмы анализа, оценки риска и управления промышленной безопасностью химико-технологических процессов, химико-технологических систем и химических производств на всех стадиях возникновения и развития аварии с учетом специфических особенностей различных классов химически опасных объектов с использованием методов искусственного интеллекта; '
теоретические основы, методы, модели и алгоритмы обеспечения экологической безопасности территорий, прилегающих к химическим предприятиям, включающие: прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха, идентификацию источников выбросов, управление качеством воздушной среды на основе аппарата искусственных нейронных сетей и нечетких логических рассуждений;
информационное и программно-алгоритмическое обеспечение интегрированных автоматизированных систем управления безопасностью химических производств и качеством атмосферного воздуха: базы данных и базы знаний, комплексы программных средств для анализа и оценки риска и управления промышленной и экологической безопасностью химических производств.
