Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих систем мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера 23
1.1. Существующие проблемы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера 23
1.2. Технологии мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в системе МЧС России 43
1.3. Структурно-функциональный анализ предметной области мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций 47
1.4. Мероприятия в рамках мониторинга и прогнозирования.чрезвычайных ситуаций 64
Выводы по 1 главе 87
Глава 2. Модели прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях 90
2.1. Классификация и краткая характеристика чрезвычайных ситуаций, влияющих на безопасность зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 90
2.2. Математические модели последствий чрезвычайных ситуаций произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях для жизнедеятельности населения 103
2.3. Модели прогноза риска возникновения чрезвычайных ситуаций на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях 115
2.4. Модели разрушения зданий и сооружений опасных производственных объектов 123
Выводы по 2 главе 140
3. Методики анализа и оценки риска аварий на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях 144
3.1. Методики анализа и оценки риска аварий на гидротехнических сооружениях 144
3.2. Методика анализа риска на опасных производственных объектах 211
Выводы по 3 главе 237
Глава 4. Методология создания, эксплуатации и восстановления работоспособности информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 244
4.1. Нормативные и методические документы, регламентирующие необходимость создания единой информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 244
4.2. Вопросы создания и эксплуатации информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 276
4.3. Метод и средства восстановления работоспособности системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 290
Выводы по 4 главе 303
Глава 5. Разработка информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 306
5.1. Применение геоинформационных технологий для мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гид ротехнических сооружений 306
5.2. Методика применения геоинформационных технологий для мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений, и оценка результатов ее применения...325
5.3. Основные требования к создаваемой информационной системе мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 337
5.4. Информационная система мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 343
Выводы по 5 главе 371
Глава 6. База знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 376
6.1. Особенности создания базы знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 376
6.2. Выявление знаний для создания базы знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 387
6.3. Извлечение знаний для создания базы знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 395
6.4. Средства представления знаний в базе знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 399
6.5. Верификация и особенности тестирования базы знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 410
6.6. База знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений 414
Выводы по 6 главе 423
Заключение 425
Список использованных источников 430
Приложение 457
- Технологии мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в системе МЧС России
- Математические модели последствий чрезвычайных ситуаций произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях для жизнедеятельности населения
- Методика анализа риска на опасных производственных объектах
- Вопросы создания и эксплуатации информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений
Введение к работе
Актуальность темы. В основе прогноза чрезвычайных ситуаций, их социально-экономических последствий лежит мониторинг источников чрезвычайных ситуаций (ЧС), мировой опыт со всей очевидностью показывает, что самым эффективным способом снижения потерь от природных и техногенных катастроф является их предупреждение.
256 опасных производственных объектов и 343 гидротехнических сооружений расположены на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Эти объекты несут потенциальную угрозу жителям города и области, ежедневно происходят различные аварии и ЧС, в результате которых гибнут люди. Старение техники, износ оборудования, ошибки диспетчеров, все это в сочетании с природными катаклизмами приводит к увеличению количества ЧС.
21 июля 1997 года были приняты два основополагающих Закона Российской Федерации в области безопасности сооружений: «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» №116-ФЗ и «О безопасности гидротехнических сооружений» №117-ФЗ, которые обязывают собственников или организации, эксплуатирующие опасные объекты, декларировать безопасность сооружений на всех стадиях их существования от проектирования до ликвидации. При составлении декларации безопасности и последующей ее экспертизе особое внимание должно быть уделено системе мониторинга за показателями состояния сооружений, на основе информации получаемой от средств контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). К сожалению, в настоящее время эти положения не выполняются: во-первых, большинство объектов, безопасность которых подлежит мониторингу, возведено до принятия этих законов о безопасности; во-вторых, многие системы наблюдения за состоянием сооружений, которые сейчас пытаются приспособить к решению задач мониторинга за показателями состояния, были созданы до разработки критериев безопасности; в-третьих, существующие системы мониторинга были построены на принципах, разработанных в середине прошлого века, которые не в полной мере отвечают современным требованиям по обеспечению безопасности, технически устарели, а иногда и выработали свой ресурс.
Отсутствие региональной системы сбора и обобщения данных о состоянии зданий и сооружений (ЗиС) опасных производственных объектов (ОПО) и гидротехнических сооружений (ГТС), системы, которая была бы готова принять информацию о ЧС на них и способная предпринять первые управленческие решения, направленные на предотвращение возникновения ЧС, способствует увеличению времени и стоимости проведения ликвидации последствий ЧС. Без надежной информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений (ИСМБЗиС ОПОиГТС) кардинально изменить ситуацию в области предотвращения ЧС на них практически не представляется возможным.
К настоящему времени накоплен значительный опыт в разработке информационных систем для сложных организационно-технических комплексов, в том числе и в системе МЧС России - это исследования, посвященные вопросам разработки методологических и методических основ, выполненные известными учеными: Анисимовым Б.П., Артамоновым В.С., Бурковым В.Н., Искандеровым Ю.М., Литваком Б.Г., Малыгиным И.Г., Поляковым А.С., Таранцевым А.А., Цыгановым В.В. Известно также, что в работах Краснова А.В., Крейтора С.П., Кривошонка В.В., Малыха С.В., Шапошникова С.В. впервые рассмотрены информационные системы мониторинга безопасности, в том числе мониторинга и прогнозирования ЧС. Однако, в указанных трудах, как и в других известных источниках, отсутствует математическая постановка решения задач прогнозирования последствий ЧС природного и техногенного характера, произошедших на ОПОиГТС; не разработаны методики анализа и оценки риска аварий на аналогичных объектах; не рассмотрены информационные системы мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС, а также базы знаний данной предметной области; не разработана методология создания, эксплуатации и восстановления работоспособности ИСМБЗиС ОПОиГТС.
Таким образом, разработка методологии создания и эксплуатации ИСМБЗиС ОПОиГТС в условиях динамичного изменения правовой базы, а также при массовом старении данных объектов и контрольно-измерительной аппаратуры на них, является актуальной научной задачей и составляет научно-техническую проблему, имеющую важное народно-хозяйственное значение.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке методологии создания и эксплуатации ИСМБЗиС ОПОиГТС для прогнозирования возможности и оценки вероятности возникновения и развития ЧС на основе всестороннего комплексного анализа опасности, с учетом ретроспективной и мониторинговой информации, а также для координации работ соответствующих территориальных служб субъекта РФ по организации и ведению комплексного мониторинга опасности и выполнению превентивных мероприятий по предупреждению ЧС и ликвидации их последствий, устойчивости функционирования ее элементов и подсистем, на основе разработки соответствующих моделей и методов, а также разработки базы знаний соответствующей предметной области.
Объектом исследования являются системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений.
В качестве предмета исследования в диссертации рассматриваются методы создания и эксплуатации информационных систем мониторинга, методы разработки баз знаний в данной предметной области, а также модели и методы анализа риска и прогнозирования последствий ЧС.
Для достижения сформулированной цели в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Проведен анализ существующих систем мониторинга и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера, в т.ч.:
- анализ существующих проблем мониторинга и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера;
- анализ технологий мониторинга и прогнозирования ЧС, как в системе МЧС, так и в других министерствах и ведомствах России;
- структурно-функциональный анализ предметной области мониторинга и прогнозирования ЧС, в том числе и для зданий и сооружений (ЗиС) опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений (ОПОиГТС);
- анализ проводимых мероприятия в рамках мониторинга и прогнозирования ЧС.
2. Разработаны модели прогнозирования последствий ЧС природного и техногенного характера, произошедших на ОПОиГТС, в т.ч.:
- классификация и краткая характеристика ЧС, влияющих на безопасность ЗиС ОПОиГТС;
- математические модели последствий чрезвычайных ситуаций произошедших на ЗиС ОПОиГТС для жизнедеятельности населения;
- модели прогноза риска возникновения ЧС на ЗиС ОПОиГТС;
- модели разрушения ЗиС опасных производственных объектов.
3. Разработаны методики анализа и оценки риска аварий на ОПОиГТС, в т.ч.:
- методики анализа и оценки риска аварий на ГТС;
- методика анализа риска на ОПО.
4. Рассмотрена методология создания, эксплуатации и восстановления работоспособности ИСМБЗиС ОПОиГТС, в т.ч.:
- проведен анализ нормативных, методических документов, регламентирующих необходимость создания ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- рассмотрены проблемы и вопросы создания и эксплуатации ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- разработан метод и средства восстановления работоспособности системы мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС.
5. Разработана ИСМБЗиС ОПОиГТС, в т.ч.:
- предложен метод применения геоинформационных технологий для мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС;
- разработана методика применения геоинформационных технологий для мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС, проведена оценка результатов ее применения;
- обоснованы основные требования к создаваемой ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- разработана структура ИСМБЗиС ОПОиГТС Ленинградской области, и определен порядок ее интеграции в создаваемую информационную систему мониторинга и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера Главного управления (ГУ) МЧС России по Ленинградской области;
- разработаны задачи и функциональная структура создаваемого Центра мониторинга и прогнозирования (ЦМП) ГУ МЧС России по Ленинградской области (для случая решения задач мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС).
6. Разработана база знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС, в т.ч.:
- рассмотрены особенности создания базы знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- предложен метод выявления знаний для создания базы знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- предложен метод извлечения знаний для создания базы знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- разработаны средства представления знаний в базе знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- рассмотрены верификация и особенности тестирования базы знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- разработана структура базы знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС.
Как видно из поставленной цели и задач, ИСМБЗиС ОПОиГТС должна работать на снижение риска для населения от возможных ЧС природного и техногенного характера, поэтому очевидно интерпретацию мониторинговой информации по возможным зонам ЧС в случае различных природных и техногенных катастроф и аварий на ОПОиГТС в интересах защиты населения и территорий должны производить именно региональные органы управления МЧС России.
Методы исследования. Основу методологии диссертационного исследования составили: математический аппарат теории вероятностей, математической статистики, теории надежности, теории графов, теории многофакторных экспериментов, теории систем и оптимального управления, теории множеств, а также методы теории систем, теории искусственного интеллекта, квалиметрии, теории принятия решений и математического моделирования.
Кроме того, в процессе работы над диссертационным исследованием использовались Указы Президента РФ, Законы РФ, Постановления Правительства РФ, другие правовые и нормативные документы.
В своих исследованиях автор опирался на собственный практический опыт и материалы, собранные самостоятельно за время работы на научно-исследовательских должностях в Военном инженерном краснознаменном институте им. А.Ф. Можайского (1981-1990 г.), в Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Северо-Западному федеральному округу (2003–2004 г.), а также в ООО «Научно-производственная фирма «ЛИДИНГ» (1999–2003 и 2004-2008 г.).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Модели прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях.
2. Метод и средства восстановления работоспособности системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений.
3. Методики анализа и оценки риска аварий на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях.
4. Информационная система мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений.
5. База знаний информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений.
Научная новизна полученных результатов:
1. Предложенные в работе модели прогнозирования последствий ЧС природного и техногенного характера, произошедших на ОПОиГТС, позволяют определить:
последствия ЧС произошедших на ОПОиГТС для жизнедеятельности населения, на основе распределения опасных событий во времени (частота реализации) и по ущербу;
риск возникновения ЧС на ОПОиГТС на основе метода прогноза (оценки на определенный момент или интервал времени в будущем) рисков ЧС;
характер разрушений зданий и сооружений ОПО на основе законов разрушения, и характер поражения людей при ЧС, произошедших на этих объектах.
2. Предложенный в работе метод и средства восстановления работоспособности системы мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС позволяют не только «реанимировать» струнные датчики с нестабильными показаниями, но и достаточно уверенно получить необходимые параметры импульсов их возбуждения. Разработан и внедрен в серийное производство прибор УДК-01, основные технические решения которого защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
3. Методики анализа и оценки риска аварий на ОПОиГТС позволяют проанализировать и оценить возможные риски аварий на основе новых, не используемых другими авторами, методов оценки и анализа риска.
4. Разработана ИСМБЗиС ОПОиГТС с необходимым системно-аппарат-ным, программно-аналитическим и научно-методическим обеспечением для сбора информации и прогноза возникновения и развития ЧС.
5. Новизна разработанной базы знаний (БЗ) ИСМБЗиС ОПОиГТС заключается:
в возможности выявления особенностей создания БЗ для ИСМБЗиС ОПОиГТС и формировании совокупности требований, предъявляемых к ней;
в разработке метода выявления и извлечения знаний, учитывающих специфику формализации знаний предметной области мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС и улучшающих временные характеристики создания БЗ, показаны преимущества предложенного подхода;
в применении средств на основе семантических графов с оболочками, позволивших унифицировать представление знаний и манипулирование ими в БЗ для ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- в разработке нового метода определения эффективности БЗ для ИСМБЗиС ОПОиГТС.
Теоретическая значимость результатов исследования заключается в разработке совокупности теоретических положений важной области мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС, в частности:
- расширение и углубление имеющихся знаний о методах создания и эксплуатации ИСМБЗиС ОПОиГТС;
- разработка моделей и методик анализа риска и прогнозирования последствий ЧС природного и техногенного характера, произошедших на ОПОиГТС;
- разработка теории применения уникального метода восстановления работоспособности систем мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС;
- разработка теоретических основ построения ИСМБЗиС ОПОиГТС, обоснования её состава и научно-методического обеспечения;
- разработка теоретических особенностей создания базы знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС.
Изложенные модели и методы также являются теоретической основой прогнозирования последствий ЧС, произошедших на ОПОиГТС.
Практическая значимость исследования состоит в том, что:
1. Разработаны модели прогнозирования последствий ЧС природного и техногенного характера, произошедших на ОПОиГТС, с учетом их значимости для жизнедеятельности населения. Приведённые подходы дают возможность создать математические модели прогнозирования последствий конкретных ЧС, произошедших на ОПОиГТС, на основе единой научно-методической базы.
2. Предложены метод и средства восстановления работоспособности системы мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС, которые позволяют «реанимировать» струнные датчики с нестабильными показаниями путем обеспечения подбора параметров импульса возбуждения для каждого преобразователя индивидуально. Метод, реализованный автором в разработках Научно-произ-водственной фирмы «ЛИДИНГ», позволяет:
- вернуть в состав измерений до 60% струнных преобразователей, ранее считавшихся неработоспособными, т.е. увеличить на 60% достоверность оценки безопасности ответственных объектов и сооружений;
- принимая во внимание, что стоимость одного канала измерения систем мониторинга ЗиС ОПОиГТС составляет от 30.000 до 300.000 рублей, внедрение предложенного способа обеспечивает существенный экономический эффект, исчисляемый в масштабах страны десятками миллиардов рублей.
3. Разработаны методики анализа и оценки риска аварий на ОПОиГТС, которые позволяют с достаточной точностью осуществлять вычисление и оценку риска, определение его значимости, вырабатывать рекомендации по уменьшению риска, проводить оценку эксплуатационной надежности и безопасности ЗиС ОПОиГТС.
4. На примере Ленинградской области разработана ИСМБЗиС ОПОиГТС, осуществлена ее интеграция в структуру создаваемой системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций ГУ МЧС России по Ленинградской области. Разработаны предложения по совершенствованию структуры и функционирования ЦМП ГУ МЧС России по Ленинградской области. Для повышения эффективности решения оперативных задач в едином ЦМП ГУ МЧС России по Ленинградской области предлагается использовать разработанную в работе информационную систему поддержки принятия управленческих решений руководителем (начальником) Управления гражданской защиты ГУ МЧС России по Ленинградской области.
5. Разработана база знаний ИСМБЗиС ОПОиГТС, использование которой значительно повышает эффективность мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС. БЗ может быть использована при разработке интеллектуальных систем различных классов (экспертных систем, диалоговых систем, систем поддержки принятия решений и т.д.), при подготовке и обучении специалистов в области применения новых информационных технологий для совершенствования мониторинга безопасности ЗиС ОПОиГТС.
Апробация работы. Научные результаты, полученные в исследовании, докладывались и обсуждались на 6 международных, 3 всесоюзных и 2 всероссийских конференциях и конгрессах:
всесоюзной научно-технической конференции «Применение методов и средств тензометрии для измерения механических параметров», Пенза, 17–19 ноября 1982 г.;
всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы повышения эффективности и качества проектирования, строительства и эксплуатации инженерно-строительного оборудования космических комплексов», Ленинград, 10-12 декабря 1985 г.;
V всесоюзной научно-технической конференции «Экспериментальные исследования инженерных сооружений», Новополоцк, 20-22 мая 1986 г.;
I всероссийском Конгрессе работников водного хозяйства, Москва, 9-10 декабря 2003 г.;
международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург, 27-28 октября 2004 г.;
международной конференции КТИФ «Пожарная охрана Мира. Расширение функций и задач», Санкт-Петербург, 14 октября 2005 г.;
международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты населения и территорий от пожаров и катастроф», Санкт-Петербург, 21 июня 2006 г.;
международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, 14 сентября 2006 г.;
II всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму», Санкт-Петербург, 16 мая 2007 г.;
VI международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, 19 октября 2007 г.;
III международной научно-практической конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам», 30-31 октября 2007 г.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования нашли отражение в 1 монографии, 9 изобретениях, 10 статьях, опубликованных в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в 8 статьях во всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях (в том числе, 2 ДСП), в 11 публикациях в материалах международных конференций и 6 докладов на всероссийских и региональных конференциях, а также в 13 Отчетах о НИР (ДСП). Всего по теме диссертации имеется 58 публикаций.
Реализация. Научные результаты нашли практическое применение в Северо-Западном региональном центре МЧС России, в Главном управлении МЧС России по Ленинградской области и в Главном управлении МЧС России по Санкт-Петербургу, в ООО «Научно-производственная фирма «ЛИДИНГ», в ООО «Инженерно-консалтинговый центр «Промтехбезопасность», в ООО «Научно-технический центр «Экотехцентр», в ООО «Научно-технический Центр «Экспертсервис», а также в образовательном процессе Санкт-Петер-бургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России и Военно-Космической Академии им. А.Ф. Можайского, что подтверждено актами о реализации.
Результаты диссертационного исследования использовались автором в 13 отчетах о НИР, защищены 9-ю авторскими свидетельствами на изобретения и отмечены медалями ВДНХ СССР (в 1987 году – серебренная медаль, в 1989 году – золотая медаль), а также внедрены в следующих системах мониторинга и контроля безопасности ЗиС ОПОиГТС:
- система контроля за состоянием стартовых космических комплексов космодрома «Байконур», 1980-1991 г.;
- система мониторинга за состоянием железнодорожных мостов Забайкальской и Октябрьской железных дорог, 1993 г.;
- система мониторинга за состоянием ГТС ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», 1993-1994 г.;
- система контроля (мониторинга) состояния Санкт-Петербургской телебашни, 1995 г.;
- система мониторинга за состоянием ГТС ОАО «Бокситогорский глинозем», 2001 г.;
- система мониторинга за состоянием комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений, 2004 г.;
- система (контроля) мониторинга за состоянием ГТС ОАО «НК «Роснефть» – Архангельскнефтепродукт», 2004 г.;
- система (контроля) мониторинга за состоянием шламонакопителей ОАО «Архангельский ЦБК», 2005 г.;
- система (контроля) мониторинга за состоянием ГТС Сургутских ГРЭС-1 и ГРЭС-2, 2005 г.;
- система (контроля) мониторинга за состоянием причала ООО «Нордстрой» в Шлиссельбурге, 2005 г.;
- система (контроля) мониторинга за состоянием причала №21 Морского порта Санкт-Петербурга, 2005 г.;
- система мониторинга за состоянием плавучего причала рейдовой стоянки №6 в Угольной гавани Морского порта Санкт-Петербурга, 2006 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации 473 стр., в том числе 457 стр. основного текста с учетом 36 рисунков и 23 таблиц, 29 стр. списка литературы из 247 наименований и приложения на 15 стр.
Технологии мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в системе МЧС России
Одним из направлений принятой МЧС России стратегии снижения риска и уменьшения последствий стихийных бедствий, аварий и катастроф является создание системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций и координации работ в этой области. В 1997 году ряд учреждений и организаций России в целях практического решения данной проблемы приняли совместное решение об организации Агентства МЧС России по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций. В системе МЧС России создан Всероссийский центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера «Антистихия»-. (ВЦМП).
Агентство МЧС России по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций (далее - Агентство) создано на основе головной научно-исследовательской организации МЧС России - Всероссийского научно-исследовательского института по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям (ВНИИ ГОЧС) как организационно-технической и информационно-аналитической структуры министерства. Агентство объединяет учреждения и организации Российской академии наук и федеральных органов исполнительной власти Российской Федерации (МЧС, Минобороны, Министерства природных ресурсов, Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, других федеральных органов исполнительной власти) и иных организаций, независимо от их организационно-правовых форм. Юридически факт создания Агентства установлен Приказом Министра от 27 марта 1997 г. № 174.
Агентство создано с целью объединения научных, технических и информационных возможностей различных учреждений (организаций) для развития и совершенствования государственной системы мониторинга и прогнозирования ЧС, реализации стратегии снижения риска и уменьшения последствий стихийных бедствий, аварий и катастроф, координации работ в этой области. Основные задачи Агентства в информационной сфере: организация и обеспечение функционирования Центра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций (ЦМП), предназначенного для сбора, обработки, анализа и интерпретации данных о предвестниках стихийных бедствий, а также регулярного представления руководству МЧС России аналитического доклада с оценками возможностей возникновения ЧС, их последствий и предложениями по сценариям реагирования; организация и координация работ в области сбора и обмена информацией о состоянии окружающей природной среды, обстановкой на потенциально опасных объектах и прилегающих к ним территориях; создание информационно-коммуникационной системы для решения задач мониторинга и прогнозирования ЧС, функционирующей совместно с АИУС РСЧС; создание единой информационной базы Агентства с данными о предвестниках природных ЧС, их последствиях, сценариях реагирования и другой необходимой для решения этих задач информацией; подготовка и представление руководству МЧС России материалов для ежегодного государственного доклада о состоянии защиты населения и территорий от ЧС. Основные задачи Агентства в научно-технической сфере: оперативное научно-методическое и информационное сопровождение работ по ликвидации ЧС природного характера; проведение работ по зонированию территории России по уровню комплексного риска возникновения природных катастроф и стихийных бедствий; организация, координация и проведение работ по определению реальной устойчивости зданий, сооружений и потенциально опасных объектов к воздействию природных катастроф и стихийных бедствий; организация и проведение работ по разработке и тиражированию программно-технических комплексов для автоматизации процессов оценки последствий ЧС для органов исполнительной власти различного уровня; разработка для органов исполнительной власти различного уровня обоснованных предложений и рекомендации по комплексу превентивных мероприятий по защите населения, предупреждению и снижению ущерба от ЧС природного характера, участие в их практической реализации; разработка, сопровождение и участие в выполнении научно-технических программ по проблемам мониторинга и прогнозирования ЧС.
Основные задачи Агентства в сфере нормативно-правовой деятельности: участие в развитии нормативно-правовой базы по вопросам защиты населения и территорий от ЧС природного характера; разработка предложений по совершенствованию страховой политики в области социальной защиты населения и территорий от воздействия природных катастроф и стихийных бедствий. В состав Агентства на правах ассоциированных членов вошли 26 организаций различных министерств и ведомств. В соответствии с Положением об Агентстве эти организации выполняют следующие функции, связанные с решением задач информационной сферы деятельности: оперативное оповещение Агентства о регистрируемых природных катастрофах и стихийных бедствиях (землетрясениях, извержениях вулканов, наводнениях, пожарах и других), возможных последствиях возникших ЧС с оценкой их масштаба (трансграничные, федеральные, региональные или территориальные) и предложениях по сценариям реагирования; регулярное представление в Агентство сообщений с обобщенной информацией о результатах наблюдений и контроля за состоянием окружающей среды, обстановкой на потенциально опасных объектах и прилегающих к ним территориях, выводами о возможности возникновения ЧС, их масштабах, оценками последствий и предложениями по сценариям реагирования; оперативное представление в Агентство дополнительных данных, обосновывающих сделанные выводы и предложения; участие в создании информационно-коммуникационной системы в интересах сбора данных, необходимых для прогнозирования ЧС; участие в формировании информационной базы Агентства.
Так, например, Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации (Гидрометеоцентр) регулярно представляет к Центр мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций Агентства (ЦМП) следующие данные: оперативные штормовые предупреждения о возможности возникновения ЧС природного характера, контролируемых Гидрометеоцентром; ежедневный прогноз метеорологической обстановки на сутки; ежедневные донесения о результатах наблюдения сетями гидрологических постов; расчетные характеристики степени пожарной опасности на территории России; ежедневные донесения о вариациях атмосферного давления и температуры в сейсмоопасных районах Дальнего Востока, Сибири и Северного Кавказа; долгосрочные, среднесрочные и краткосрочные прогнозы опасности наводнений.
Математические модели последствий чрезвычайных ситуаций произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях для жизнедеятельности населения
Анализ (идентификация, оценка, прогноз) риска — это исследования, направленные на выявление и количественное определение различных видов риска при осуществлении различных видов деятельности, осуществлении какого-либо проекта.
Анализ риска обычно начинается с его идентификации - выявления причин риска (опасностей) и механизма возможного негативного воздействия их на различные группы населения.
Оценка риска состоит в его количественном измерении, т. е. определении возможных последствий реализации опасностей для различных групп населения. Целью оценки риска являются взвешивание риска и выработка решений, направленных на его снижение. При этом оцениваются затраты и выигрыш от принимаемого решения.
Методический аппарат анализа рисков для населения и территорий от ЧС, произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях. экономическая концепция, в рамках которой анализ риска рассматривается как часть более общего затратно-прибыльного исследования. В последнем риски есть ожидаемые потери полезности, возникающие вследствие некоторых событий или действий. Конечная цель состоит в распределении ресурсов таким образом, чтобы максимизировать их полезность для общест психологическая концепция концентрируется вокруг исследований межиндивидуальных предпочтений относительно вероятностей с целью объяснить, почему индивидуумы не вырабатывают свое мнение о риске на основе средних значений; почему люди реагируют согласно их восприятию риска, а не объективному уровню риска или научной оценке риска; социальная (культурологическая) концепция основана на социальной интерпретации нежелательных последствий с учетом групповых ценностей и интересов. Социологический анализ риска связывает суждения в обществе относительно риска с личными или общественными интересами и ценностями. Культурологический подход, что существующие культурные прототипы определяют образ мыслей отдельных личностей и общественных организаций, заставляя их принимать одни ценности и отвергать другие.
Изложенные в главе результаты получены в основном в рамках технократической концепции. При этом основными элементами, входящими в систему анализа, являются источник опасности, опасное событие и поражающие факторы, объект воздействия и ущерб. Под опасным понимается такое событие (авария, катастрофа, природное явление), которое приводит к формированию поражающих факторов для населения, объектов техносферы и природной среды.
В рамках технократической концепции после идентификации опасностей (выявления принципиально возможных рисков) необходимо оценить их уровень и последствия, к которым они могут привести, т. е. вероятность соответствующих событий и связанный с ними потенциальный ущерб. Для этого используют методы оценки риска, которые в общем случае делятся на феноменологические, детерминистские и вероятностные. Рассмотрим область ихприменения.
Феноменологический метод базируется на определении возможности протекания аварийных процессов исходя из результатов анализа необходимых и достаточных условий, связанных с реализацией тех или иных законов природы. Этот метод наиболее прост в применении, но дает надежные результаты, если рабочие состояния и процессы таковы, что можно с достаточным запасом определить состояние компонентов рассматриваемой системыи ненадежен вблизи границ резкого изменения состояния веществ и систем. Феноменологический метод предпочтителен при сравнении запасов безопасности различных типов потенциально опасных объектов, но малопригоден для анализа разветвленных аварийных процессов, развитие которых зависит от надежности тех и иных частей объекта или (и) его средств защиты. Феноменологический метод реализуется на базе фундаментальных закономерностей, которые в последние годы объединяют в рамках новой научной дисциплины физики, химии и механики катастроф.
Детерминистский метод предусматривает анализ последовательности этапов развития аварий, начиная от исходного события через последовательность предполагаемых стадий отказов, деформаций и разрушения компонентов до установившегося конечного состояния системы. Ход аварийного процесса изучается и предсказывается с помощью математического моделирования, построения имитационных моделей и проведения сложных расчетов. Детерминистский подход обеспечивает наглядность и психологическую приемлемость, так как дает возможность выявить основные факторы, определяющие ход процесса. В ядерной энергетике этот подход долгое время являлся основным при определении степени безопасности реакторов.
Недостатки метода: - существует потенциальная возможность упустить из вида какие-либо редко реализующиеся, но важные цепочки событий при развитии аварии; построение достаточно адекватных математических моделей является трудной задачей; - для тестирования расчетных программ часто требуется проведение сложных и дорогостоящих экспериментальных исследований.
Вероятностный метод анализа риска предполагает как оценку вероятности возникновения аварии, так и расчет относительных вероятностей того или иного пути развития процессов. При этом анализируются разветвленные цепочки событий и отказов оборудования, выбирается подходящий математический аппарат и оценивается полная вероятность аварий. Расчетные математические модели в этом подходе, как правило, можно значительно упростить в сравнении с детерминистскими схемами расчета.
Методика анализа риска на опасных производственных объектах
Анализ риска аварий на опасных производственных объектах (далее -анализ риска) является составной частью управления промышленной безопасностью [2, 37, 39, 42-44, 61-66, 90]. Анализ риска заключается в систематическом использовании всей доступной информации для идентификации опасностей и оценки риска возможных нежелательных событий.
Результаты анализа риска используются при декларировании промышленной безопасности опасных производственных объектов, экспертизе промышленной безопасности, обосновании технических решений по обеспечению безопасности, страховании, экономическом анализе безопасности по критериям «стоимость-безопасность-выгода», оценке воздействия хозяйственной деятельности на окружающую природную среду и при других процедурах, связанных с анализом безопасности.
Основные задачи анализа риска аварий на опасных производственных объектах заключаются в предоставлении лицам, принимающим решения: объективной информации о состоянии промышленной безопасности объекта; сведений о наиболее опасных, «слабых» местах с точки зрения безопасности; обоснованных рекомендаций по уменьшению риска.
Для обеспечения качества анализа риска следует использовать знание закономерностей возникновения и развития аварий на опасных производственных объектах. Если существуют результаты анализа риска для подобного опасного производственного объекта или аналогичных технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, то их можно применять в качестве исходной информации. Однако при этом следует показать, что объекты и процессы подобны, а имеющиеся отличия не будут вносить значительных изменений в результаты анализа.
Цели и задачи анализа риска могут различаться и конкретизироваться на разных этапах жизненного цикла опасного производственного объекта [62]: 1. На этапе размещения (обоснования инвестиций или проведения предпроектных работ) или проектирования опасного производственного объекта целью анализа риска, как правило, является: выявление опасностей и априорная количественная оценка риска с учетом воздействия поражающих факторов аварии на персонал, население, имущество и окружающую природную среду; обеспечение учета результатов при анализе приемлемости предложенных решений и выборе оптимальных вариантов размещения опасного производственного объекта, применяемых технических устройств, зданий и сооружений опасного производственного объекта, включая особенности окру 214 жающей местности, расположение иных объектов и экономическую эффективность; обеспечение информацией для разработки инструкций, технологического регламента и планов ликвидации (локализации) аварийных ситуаций на опасном производственном объекте; оценка альтернативных предложений по размещению опасного производственного объекта или техническим решениям. 2. На этапе ввода в эксплуатацию (вывода из эксплуатации) опасного производственного объекта целью анализа риска могут быть: выявление опасностей и оценка последствий аварий, уточнение оценок риска, полученных на предыдущих этапах функционирования опасного производственного объекта; проверка соответствия условий эксплуатации требованиям промышленной безопасности; разработка и уточнение инструкций по вводу в эксплуатацию (выводу из эксплуатации). 3. На этапе эксплуатации или реконструкции опасного производствен ного объекта целью анализа риска может быть: проверка соответствия условий эксплуатации требованиям промышленной безопасности; уточнение информации об основных опасностях и рисках (в том числе при декларировании промышленной безопасности); разработка рекомендаций по организации деятельности надзорных органов; совершенствование инструкций по эксплуатации и техническому обслуживанию, планов ликвидации (локализации) аварийных ситуаций на опасном производственном объекте; оценка эффекта изменения в организационных структурах, приемах практической работы и технического обслуживания в отношении совершенствования системы управления промышленной безопасностью.
При выборе методов анализа риска следует учитывать цели, задачи анализа, сложность рассматриваемых объектов, наличие необходимых данных и квалификацию привлекаемых для проведения анализа специалистов. Приоритетными в использовании являются методические материалы, согласованные или утвержденные Ростехнадзором России или иными федеральными органами исполнительной власти.
На этапе планирования выявляются управленческие решения, которые должны быть приняты, а также требующиеся для этого исходные и выходные данные. Основным требованием к выбору или определению критерия приемле--мого риска является его обоснованность и определенность. При этом критерии приемлемого риска могут задаваться нормативной документацией, определяться на этапе планирования анализа риска и (или) в процессе получения результатов анализа. Критерии приемлемого риска следует определять исходя из совокупности условий, включающих определенные требования безопасности и количественные показатели опасности. Условие приемлемости риска может выражаться в виде условий выполнения определенных требований безопасности, в том числе количественных критериев.
Вопросы создания и эксплуатации информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений
Отсутствие системы сбора и обобщения данных о состоянии зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений, системы, которая была бы готова принять информацию о чрезвычайных ситуациях (ЧС) на них и способная предпринять первые управленческие решения, направленные на предотвращение возникновения ЧС, способствует увеличению времени ликвидации ЧС и стоимости проведения мероприятий, направленных на ликвидацию последствий ЧС. Без надежной информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений кардинально изменить ситуацию в области предотвращения ЧС на них практически не представляется возможным.
Информационная система мониторинга должна дать однозначный ответ - соответствует ли фактическое состояние объекта допустимым критериям безопасности, которые определяются на стадии проектирования или разработки декларации безопасности [126, 143, 152, ]. Логично предположить следующую последовательность мер по обеспечению безопасности сооружений: 1. Разработка критериев безопасности сооружения. 2. Проектирование сооружения, отвечающего требованиям этих критериев. 3. Разработка средств контроля (мониторинга) за показателями состояния сооружения и сличения их с критериями безопасности. 4. Создание и эксплуатация сооружения, показатели фактического состояния которого постоянно контролируются и сравниваются с их предельными значениями (критериями безопасности) с помощью средств КИА. 5. Подключение системы мониторинга объекта к информационной системе мониторинга региона (области, города или отрасли).
Однако, на практике эта последовательность нарушается по вполне объективным причинам: во-первых, большинство объектов, безопасность которых подлежит мониторингу, возведено до принятия законов о безопасности; во-вторых, многие системы наблюдения за состоянием сооружений, которые сейчас пытаются приспособить к решению задач мониторинга за показателями состояния, были созданы до разработки критериев безопасности; в-третьих, существующие системы мониторинга были построены на принципах, разработанных в середине прошлого века, которые не в полной мере отвечают современным требованиям по обеспечению безопасности.
В такой ситуации разработчики систем мониторинга безопасности стоят перед выбором: или сократить число критериев безопасности сооружений и подогнать их под имеющиеся качественный и количественный состав средств КИА на объекте, чем снижается достоверность и полнота оценки соответствия фактического состояния сооружения критериям безопасности, или приспособить имеющиеся средства КИА к новым критериям, т. е. доказать, что имеющиеся средства контроля (мониторинга) позволяют отслеживать состояние сооружения по всем критериям безопасности данного объекта, что проблематично исходя из современного состояния средств КИА существующих на сооружениях систем мониторинга.
Примерный состав аппаратурных средств мониторинга за состоянием гидротехнических сооружений определены в обязательном приложении Ж «Состав основных технических и программных средств систем мониторинга гидротехнических сооружений» в СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные положения» [86].
На практике состав средств систем мониторинга гидротехнических сооружений ограничивается, как правило, средствами инструментальных наблюдений, которые в единичных случаях совместимы с автоматизированными информационно-измерительными диагностическими системами.
Необходимо отметить, что ныне существующие средства КИА [76, 79-80] (например, гидротехнических сооружений) создавались с целью проведения натурных исследований и контрольных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием (НДС) и пространственной стабильностью конструкций в строительный и эксплуатационный периоды, для проверки правильности принятых проектных решений и последующего наблюдения за эксплуатационным состоянием сооружения, т.е. не ориентировались на решение конкретной задачи мониторинга безопасности сооружения.
Традиционно комплекты средств наблюдения систем испытаний и долговременного контроля (ИДК) за состоянием опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений создавались на основе струнных преобразователей, позволяющих осуществлять оперативный дистанционный контроль статических показателей состояния сооружения [74-81].
Однако, гарантийный срок струнных преобразователей всего от 6 до 18 месяцев, а сами преобразователи поверкам не подлежат.
Средний возраст систем ИДК 30-40 лет. Большая часть преобразователей, общее число которых на некоторых объектах составляло десятки тысяч, за это время вышли из строя или дают не стабильные показания, что ни одно и тоже. Например, на большинстве гидротехнических объектов стабильные показания дают не более 20% струнных преобразователей.
Принимая во внимание вышеизложенное, а также тот факт, что средства КИА существующих систем ИДК (мониторинга) не могут быть сертифицированы в соответствии с Законом Российской Федерации № 4871-1 от 27 апреля 1993 года «Об обеспечении единства измерений» можно констатировать, что: 1. Средства КИА традиционных систем ИДК не могут рассматриваться, в качестве средств систем мониторинга за показателями состояния сооружений, как несоответствующие требованиям нормативных документов по безопасности [3-Ю, 25, 27, 114, 119, 155, 161, 169, 182-188, 196, 204] , а получаемые с их помощью данные не могут использоваться для оценки безопасности сооружений. 2. Существующие системы и средства КИА должны быть подвергнуты детальному диагностированию, с целью оценки их работоспособности, после, чего переведены из разряда «средств измерения» в разряд «средств контроля» или «индикации». 3. Выводы и заключения о показателях состояния сооружений и их безопасности, сделанные на основании существующих средств КИА на базе струнных преобразователей, должны быть детально проанализированы. 4. На объектах, безопасность которых подлежит декларированию, должны быть созданы новые системы мониторинга, отвечающие требованиям законов о безопасности. 5. Необходимо осуществить передачу данных о состоянии сооружений, полученных с помощью прежних средств КИА, к вновь создаваемым. 6. Декларации безопасности ныне существующих объектов должны пройти повторную экспертизу. На переходном этапе основной задачей является обеспечение непрерывности получения информации о состоянии сооружений (объектов), при максимально возможном числе точек контроля и параметров контроля. Одним из возможных путей увеличения объема информации о состоянии сооружения на существующих объектах может быть увеличение числа точек измерения или контроля параметров. Однако, как отмечалось выше, на сегодня не более 20% струнных преобразователей дают стабильные показания, т.е. признаются работоспособными. На практике же отсутствие стабильности показаний еще не означает, что преобразователь утратил свою работоспособность [136, 140, 147, 150, 153]. Для пояснения необходимо рассмотреть основы теории измерений с помощью струнных преобразователей.
Способ измерения с помощью струнных преобразователей основывается на зависимости частоты со колебания частотного резонатора (струны) от напряжения растяжения струны, которое в каждом конкретном струнном преобразователе пропорционально измеряемому параметру Р (линейному перемещению, давлению, температуре и. т. д.).
