Методология создания и эксплуатации информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Методология создания и эксплуатации информационной системы мониторинга безопасности зданий и сооружений опасных производственных объектов и гидротехнических сооружений

Общая характеристика работы

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.

Содержание работы

чрезвычайный техногенный прогнозирование авария

Во введении обосновывается выбор темы диссертации, ее актуальность, цели, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, апробация и результаты исследования, выносимые на защиту.

В первой главе приведен критический анализ существующих систем мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

В соответствии с Федеральным законом от 21 декабря 1994 года «О защите населения и территорий от ЧС природного и техногенного характера» №68-ФЗ одной из основных задач Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС (РСЧС) являются прогнозирование и оценка социально-экономических последствий ЧС, а также сбор, обработка, обмен и выдача информации в области защиты населения и территорий от ЧС. Решение задач прогнозирования ЧС возлагается на территориальные и функциональные подсистемы МЧС России.

В главе обоснована необходимость создания Единой государственной системы комплексного мониторинга (ЕГСКМ) под эгидой МЧС России. Разрабатываемая автором ИСМБЗиС ОПОиГТС должна стать информационно-тех-нической подсистемой ЕГСКМ.

Проведен структурно-функциональный анализ предметной области мониторинга и прогнозирования ЧС. Выделены следующие классы функций управления мониторингом и прогнозированием ЧС: сбор информации; обработка информации; прогнозирование; оценка обстановки; подготовка данных для принятия решения; принятие решений; доведение информации до потребителей; контроль исполнения принятых решений; накопление опыта проведения необходимых мероприятий (операций).

Рассмотрены мероприятия, проводимые в рамках мониторинга и прогнозирования ЧС. В основе мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций (снижению риска их возникновения) и уменьшению возможных потерь и ущерба от них (уменьшению масштабов ЧС) лежат конкретные превентивные мероприятия научного, инженерно-технического и технологического характера, осуществляемые по видам природных и техногенных опасностей и угроз. Значительная часть этих мероприятий проводится в рамках инженерной, радиационной, химической, медицинской, медико-биологической и противопожарной защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций.

Установлено, что большинство ОПОиГТС, безопасность которых подлежит мониторингу, возведено до принятия законов об их безопасности, многие системы наблюдения за состоянием сооружений, которые сейчас пытаются приспособить к решению задач мониторинга за показателями состояния, были созданы до разработки современных критериев безопасности, существующие системы мониторинга, построенные на принципах, разработанных в середине прошлого века, не в полной мере отвечают современным требованиям по обеспечению безопасности, технически устарели, а иногда и выработали свой ресурс. Отсутствуют региональные системы сбора и обобщения данных о состоянии ЗиС ОПОиГТС, что способствует увеличению времени и стоимости проведения ликвидации последствий ЧС.

В главе рассмотрены существующие технологии мониторинга и прогнозирования ЧС в системе МЧС России, а также других министерств и ведомств.

Во второй главе разработаны модели прогнозирования последствий ЧС природного и техногенного характера, произошедших на опасных производственных объектах и гидротехнических сооружениях.

В главе проведена классификация и краткая характеристика ЧС, влияющих на безопасность ЗиС ОПОиГТС, которые классифицируются по следующим основным признакам: сфере возникновения (техногенные, природные, экологические), ведомственной принадлежности и масштабу возможных последствий.

В рамках, предложенных в главе математических моделей последствий ЧС, произошедших на ОПОиГТС, для жизнедеятельности населения рассмотрены модели анализа риска. Анализ риска для населения и территорий от ЧС, произошедших на ОПОиГТС, основан на использовании различных концепций, методов и методик. Рассмотрен методический аппарат анализа рисков для населения и территорий от ЧС, произошедших на ОПОиГТС. 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. Рассмотрена область применения методов оценки риска, которые в общем случае делятся на феноменологические, детерминистские и вероятностные.

Показателем риска разрушения конкретного невосстанавливаемого здания и / или сооружения ОПОиГТС для рассматриваемого интервала времени является вероятность Q₀(t) хотя бы одной реализации опасного события. В качестве примера последствий ЧС, произошедшего на опасном производственном объекте или гидротехническом сооружении для жизнедеятельности населения, можно привести индивидуальную вероятность смерти, так как для отдельно взятого человека такое событие, как смерть, не может происходить более одного раза за любой промежуток времени, т.е. характеризуется только вероятностью наступления. Если в формуле:

, (1)

где P(H₀) = Q(t), P(H₁) = 1 - Q(t);

принять w₀ = 1, a w₁ = 0, то показателем риска смерти будет вероятность Q₀(t) хотя бы одной реализации опасного события за рассматриваемый интервал времени (при условии его нахождения в зоне поражения). При наличии ряда опасных событий риски от них складываются, а вероятность Q₀(t) увеличивается, асимптотически приближаясь к 1.

Рассмотрим систему более высокого уровня, включающую такое число объектов, что вероятность двух и более воздействий опасных факторов на один и тот же объект пренебрежимо мала. Для такой системы происходит накопление ущерба от отдельных реализаций опасного события и в качестве показателя риска следует использовать:

, (2)

где w_i - ущерб от i -го опасного события;

a(t) - математическое ожидание числа событий за год,

W - средний ущерб при реализации опасного события.

Таким образом, показателями частоты наступления опасного события при анализе риска являются вероятность Q₀(t) хотя бы одной реализации за год или интенсивность реализации события , 1/год.

Для пуассоновского потока время T между событиями подчиняется экспоненциальному закону, т.е. вероятность хотя бы одной реализации за время t вычисляется по формуле:

Q_o(t) = 1 - Р(0) = 1 - ехр(-t), (3)

где а(t) = t -- параметр распределения Пуассона (среднее число а(t) = M[] реализации в течение времени t).

Соотношение (3) используется для определения частоты наступления невосполнимого ущерба для конкретного объекта (субъекта), например, индивидуальной вероятности смерти для человека.

С увеличением t возрастает и число событий. Когда a(t), распределение Пуассона приближается к нормальному с параметрами M() и D().

Практически нормальным приближением пользуются при a(t) > 100. Оно полезно для получения гарантированных оценок риска методами доверительного оценивания.

Для редких событий (например, тяжелых радиационных аварий типа Чернобыльской, трансграничных чрезвычайных ситуаций), когда a(t) 1 (практически при a(t) < 0,1), приближенно можно считать, что

Q₀(t) a(t) = (t). (4)

Таким образом, показатели частоты наступления редких событий для конкретного объекта и системы из нескольких объектов совпадают. Наиболее общим показателем частоты опасного события является интенсивность его реализации , 1/год. Имея модель динамики интенсивности (t), можно прогнозировать частоту в случае, когда поток реализации опасного события является нестационарным.

В главе проведена классификация опасных событий с помощью распределения по ущербу. Если возможный ущерб w_к (k = 1,..., N) от реализации опасного события представить как выборочные значения некоторой случайной величины W, то при t получим (в неизменных условиях) генеральную совокупность, которой принадлежит статистика опасных событий за год. Самой общей вероятностной характеристикой этой случайной величины является функция распределения:

F(w) = P(W < w) =f(w)dw, w(0,), (5)

где f(w) - плотность распределения вероятностей случайной величины W.

Как в формуле (2), так и в (5) при оценке (прогнозе) в качестве w в общем случае следует использовать средний ущерб от реализации (опасного события):

w =wf(w)dw, (6)

вычисляемый при наличии выборочных значений по формуле:

w =w_ip_i, (7)

где р_i -- частота реализации опасного события с размером ущерба w_i.

Анализ последствий различных опасных событий показывает, что удовлетворительное описание распределения опасных событий по размеру ущерба достигается при использовании распределений с «тяжелыми» правыми хвостами, в частности, таких широко использующихся распределений, как усеченное нормальное, логарифмически нормальное, распределение Вейбулла и ряд других.

Опасные события могут классифицироваться по степени тяжести последствий на классы. Так, ЧС природного и техногенного характера делятся на т = 6 классов: местные, локальные, территориальные, региональные, федеральные и трансграничные. При наличии распределения реализации опасного события по ущербу доля реализаций j-го (j = 1,..., т) класса определяется соотноше-нием:

, (8)

где и - нижнее и верхнее критериальные значения для отнесения реализации опасного события j-му классу. Имея прогноз математического ожидания числа реализации а(t) за рассматриваемый интервал времени, можно оценить число реализаций, относящихся к j-му классу по степени тяжести:

. (9)

Соотношение (9) удобно использовать для прогнозирования математического ожидания числа редких событий , находящихся на «хвосте» распределения реализации опасного события по ущербу (федеральных и трансграничных). Для решения этой задачи в соответствии с (9) необходимы:

* прогноз общего числа ЧС;

* вид и параметры формы распределений ЧС по ущербу. Для усеченного нормального распределения в соответствии с (8) доля реализации опасного события, относящегося к j-му классу, вычисляется по формуле:

, (10)

для логарифмически нормального распределения:

, (11)

для закона Вейбулла:

. (12)

Каждый класс ЧС выделяется с помощью 4 параметров, определенных на непрерывном множестве состояний и характеризующих последствия ЧС: количество пострадавших; количество людей, у которых оказались нарушенными условия жизнедеятельности; размер материального ущерба; размер зоны распространения поражающих факторов ЧС.

В главе предложены модели прогноза риска возникновения ЧС на ОПОиГТС. Рассмотрены методы прогноза (оценки на определенный момент или интервал времени в будущем) рисков ЧС, в том числе и связанных с возникновением ЧС на ОПОиГТС, которые разделены на два вида: методы прогнозирования возникновения ЧС и методы прогнозирования последствий ЧС.

Проанализированы теоретические основы прогнозирования ЧС. Рассмотрены модели воздействия, связанные с ЧС на ОПОиГТС. Функции распределения F(x, y, ) поражающих факторов и плотность распределения f(x, y, ) определяют на основе статистической обработки результатов наблюдений или расчётным путём.

Рассмотрены модели разрушения зданий и сооружений опасных производственных объектов, установлено, что процесс сопротивления воздействию описывается законами разрушения и поражения F(). Законы разрушения характеризуют уязвимость сооружений, а законы поражения - уязвимость людей в зонах ЧС. Эти термины являются основными при прогнозировании последствий ЧС, произошедших на опасных производственных объектах.

Под законами разрушения сооружения понимают зависимость между вероятностью его повреждения и расстоянием до сооружения или интенсивностью проявления поражающего фактора.

В главе рассмотрены законы разрушения двух типов: вероятности наступления не менее определённой степени разрушения (повреждения) сооружений - Р_Аi() и вероятности наступления определённой степени разрушения (повреждения) сооружений - Р_Вi(). Для построения кривой, аппроксимирующей вероятности наступления не менее определённой степени разрушения (повреждения) сооружений, обычно используется нормальный закон. При этом учитывается, что для одного и того же сооружения может рассматриваться не одна, а несколько степеней разрушения.

Вычисление значений вероятностей производится по формуле нормального закона:

, (13)

где - переменная интегрирования случайной величины;

М_i, _i - математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение случайной величины для i-й степени разрушения сооружений, определяемые на основании статистической обработки результатов экспериментов и натурных данных или расчётным путём.

При определении вероятности наступления определённой степени разрушения (повреждения) сооружений учитывают теорему о полной группе событий:

= 1, (14)

где m - число рассматриваемых событий.

Учитывается, что после воздействия поражающего фактора сооружение может быть отнесено к одному из m несовместимых событий:

- оказаться целым (событие B₀);

- получить 1, 2,..., i-ую степени разрушения (повреждения) (В₁, В₂,..., В_i).

В главе предложены модели поражения людей при ЧС, произошедших на опасных производственных объектах. Под законом поражения людей будем понимать зависимость между вероятностью поражения людей и интенсивностью поражающего фактора.

Параметрические законы поражения людей, размещённых в зданиях, получены на основании теоремы полной вероятности. В расчётах учитывается, что событие С_i (общие, безвозвратные, санитарные потери) может произойти при получении сооружением одной из степеней повреждения (при одной из гипотез В_i), образующих полную группу несовместимых событий. Расчёты проводятся по формуле:

Р() =, (15)

где Р() - вероятность поражения людей от воздействия поражающего фактора ;

P_Bi() - вероятность наступления i-ой степени повреждения сооружения при заданном значении поражающего фактора (закон разрушения);

P(C_j / B_i) - вероятность получения людьми j-ой степени поражения при условии того, что наступила i-ая степень повреждения здания;

n - рассматриваемое число степеней повреждения здания.

Значения P(C_j / B_i) получают на основе обработки материалов о последствиях аварий и стихийных бедствий.

Рассмотрены следующие математические ожидания: математическое ожидание числа разрушенных зданий; математическое ожидание объёма завалов; математическое ожидание поражения людей.

Установлена связь точных методов прогнозирования с оперативными методами: так называемые «точные» методы можно значительно упростить и свести их к оперативным методам, которые могут найти применение в деятельности органов управления МЧС России. Предложена укрупнённая блок-схема прогнозирования последствий ЧС, произошедших на опасных производственных объектах.

В третьей главе разработан комплекс методик, посвященных анализу и оценке риска аварий на ОПОиГТС.

Предложена методика анализа риска аварий гидротехнических сооружений. Установлено, что анализ риска аварий ГТС является частью системного подхода к принятию политических решений, процедур и практических мер в решении задач предупреждения или уменьшения опасности аварий ГТС для жизни людей и их здоровья, ущерба имуществу и окружающей природной среде. Обеспечение безопасности ГТС и управление риском аварий ГТС включает следующие основные этапы:

сбор и анализ информации о ГТС;

анализ риска аварий ГТС;

оценка риска;

регулирование (уменьшение) риска путем разработки и осуществления мер по предупреждению аварий ГТС.

Обоснованы основные требования к проведению анализа риска аварий ГТС. Для обеспечения качества и согласованности результатов процесс анализа риска аварий ГТС должен включать следующие этапы:

организация и планирование работ;

идентификация опасностей;

вычисление и оценка риска, определение его значимости;

разработка (при необходимости) рекомендаций по уменьшению риска;

оформление результатов анализа риска.

Рассмотрены методы проведения анализа риска аварий ГТС, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

¦ метод должен быть научно обоснован и соответствовать целям анализа риска и анализируемому сооружению;

¦ метод должен давать результаты в виде, позволяющем лучше понимать уровень риска и намечать наиболее эффективные пути его снижения;

На стадии идентификации опасностей рекомендуется использовать один или несколько из перечисленных ниже методов анализа риска:

- «что будет, если...?» (What - if?);

- проверочный лист (Check List);

- анализ опасности и работоспособности (Hazard and Operability Study-HAZOP);

- анализ воздействий и способов отказа (Failure Mode and Effects Analysis - FMEA);

- анализ воздействий, критических состояний и способов отказа

(Failure Mode, Effects and Critical Analysis - FMECA), другие эквивалентные методы.

Перечисленные методы дают структурированные логические схемы систематического использования экспертных оценок и данных о сооружении для наглядного и проверяемого анализа риска.

На стадии качественной оценки и / или вычисления (количественной оценки) риска аварий ГТС применяются графоаналитические методы - анализ «дерева отказов» и анализ «дерева событий», причем реализация этих методов может быть как в качественной, так и в количественной форме.

В главе разработана методика оценки риска аварий, эксплуатационной надежности и безопасности ГТС. Количественную оценку вероятности аварии (риска) эксплуатируемых ГТС рекомендуется осуществлять в следующем порядке:

1. Определяется перечень наиболее «опасных» факторов (опасностей), способных вызвать аварию сооружения.

2. Рассматриваются различные сценарии возможных аварий сооружения.

3. Определяются среднегодовые вероятности возникновения факторов, вызывающих аварии.

4. Устанавливаются вероятности возникновения возможных аварий при реализации факторов (опасностей) по намеченным сценариям.

5. Оцениваются риски возможных аварий сооружения по каждому из сценариев.

6. Оценивается вероятный ущерб от аварии или разрушения сооружения по сценарию с максимальным риском.

7. Оценивается мера риска.

Проведена оценка эксплуатационной надежности и безопасности ГТС. Надежность и безопасность ответственных сооружений I-III классов оценивается по результатам анализа данных натурных наблюдений за их работой и состоянием. В общем случае оценка надежности и безопасности сооружения и основания проводится методом сравнения фактических (полученных натурными наблюдениями) значений нагрузок, воздействий и контролируемых показателей их состояния с соответствующими проектными, нормативными и предельно допустимыми (критериальными) показателями.

В главе разработана методика количественной оценки риска аварий дамб ГТС, которая предназначена для определения вероятности риска аварий и может использоваться при декларировании безопасности и страховании риска ГТС (в том числе и Теплоэлектростанций). Предметом количественной оценки по данной методике являются напорные грунтовые, бетонные дамбы, в.т.ч. водосливные, ограждающие дамбы золошлакоотвалов (ЗШО). Оценка риска аварии включает следующие шаги:

а) сбор исходных данных;

б) определение условий реализации аварии;

в) определение условных вероятностей нарушения критерия надежности дамбы;

г) определение вероятностей появления i-гo условия возникновения аварии дамбы;

д) определение безусловных вероятностей нарушения критерия надежности дамбы;

е) определение обобщенной вероятности нарушения критерия надежности (вероятность риска аварии);

ж) анализ результатов расчетов.

Оценка безопасности проводится путем сопоставления рассчитанного обобщенного риска аварии с допускаемым действующими нормами уровнем риска наступления предельных состояний первой группы (Q_inf). Например, для периода постоянной эксплуатации дамбы нижняя оценка допускаемого риска аварии Q_inf = 5·10^-3 1/год, а расчетные для разных сечений (секций ЗШО): 8,12·10^-5; 3,0·10^-3; 2,98·10^-4 1/год и < Q_inf, соответственно безопасность дамбы обеспечивается 3,0·10^-3 1/год и является оценкой допускаемого риска данной аварии.

Разработана методика оценки вероятностей отказов механического оборудования (МО) ГТС, которая позволяет оценить среднегодовую вероятность отказа МО водосбросных и водопроводящих трактов ГТС. При этом следует отметить, что при декларировании безопасности ГТС под отказами МО понимаются лишь те из них, которые приводят к катастрофическим последствиям, включенным в сценарии развития аварийных ситуаций. Приведена последовательность оценки вероятности отказов МО, схематично показывающая все этапы проведения расчетов (рис. 1).

Разработана методика количественной оценки уровня безопасности эксплуатируемых ГТС, в которой перечень факторов безопасности представлен в виде иерархической структуры. После завершения расчетов для всех уровней иерархии (рис. 2) и определения уровня безопасности ГТС в целом следует:

1) выполнить анализ вклада отдельных факторов и групп факторов;

2) в случае необходимости внести коррективы в набор учитываемых факторов, их иерархию, ранжирование, оценку факторов, низших уровней иерархии, выбор расчетных формул;

3) повторить процедуру оценки уровня безопасности с использованием уточненных исходных данных и локальных характеристик безопасности;

4) сформулировать (в случае необходимости) выводы о причинах низкого уровня безопасности, необходимые для разработки мер организационно-технического характера по предотвращению аварий и разрушения эксплуатируемого ГТС.

В главе предложена методика расчета инженерной обстановки при катастрофическом затоплении от разрушений ГТС. Предложен порядок расчета параметров волны прорыва. Рассмотрен пример разрушения гидроузла водохранилища в результате землетрясения. Проведена оценка возможных последствий затопления и подготовка исходных данных для планирования мероприятий по защите населения, и необходимых для построения графика движения волны прорыва.

Разработана методика анализа риска на опасных производственных объектах. Анализ риска аварий на ОПО (далее - анализ риска) является составной частью управления промышленной безопасностью. Анализ риска заключается в систематическом использовании всей доступной информации для идентификации опасностей и оценки риска возможных нежелательных событий. Цели и задачи анализа риска могут различаться и конкретизироваться на разных этапах жизненного цикла ОПО:

1. На этапе размещения (обоснования инвестиций или проведения предпроектных работ) или проектирования ОПО 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 ОПО, применяемых технических устройств, зданий и сооружений ОПО, включая особенности окружающей местности, расположение иных объектов и экономическую эффективность;

обеспечение информацией для разработки инструкций, технологического регламента и планов ликвидации (локализации) аварийных ситуаций на ОПО;

оценка альтернативных предложений по размещению ОПО или техническим решениям.

2. На этапе ввода в эксплуатацию (вывода из эксплуатации) ОПО целью анализа риска могут быть:

выявление опасностей и оценка последствий аварий, уточнение оценок риска, полученных на предыдущих этапах функционирования ОПО;

проверка соответствия условий эксплуатации требованиям промышленной безопасности;

разработка и уточнение инструкций по вводу в эксплуатацию (выводу из эксплуатации).

3. На этапе эксплуатации или реконструкции ОПО 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 ОПО;