CC BY
69
УДК 656.612
О. М. Проталинский, Д. В. Немчинов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В МОРСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Ужесточение требований к надежности и безопасности технических систем и устройств обусловило необходимость дальнейших исследований условий возникновения аварийных ситуаций (АС). Особенно важны такие исследования для повышения безопасной эксплуатации сложных морских технических систем, таких как корабли и суда флота, морские инженерные сооружения, стационарные и плавучие буровые платформы и т. д. Основные причины аварий -это моральная и физическая изношенность технических устройств, их несвоевременная реконструкция, несоблюдение работниками технологической и производственной дисциплины, низкий уровень организации труда [1].
Известные и рекомендуемые к применению методы анализа риска аварий с использованием вероятностных оценок («потоковые графы», «деревья опасностей», «деревья событий» и т. д.) весьма трудоемки, требуют большого количества исходных данных и высокой квалификации исполнителей [2], что является проблемой при определении риска АС в условиях недостаточного объема и неопределенности исходной информации. Для решения поставленной задачи применяется многофакторный анализ риска с использованием экспертных систем, использующих приближенные, но в то же время обладающие достаточной степенью эффективности способы описания слабоформализуемых систем.
Факторы, которые вызывают АС, разделены на параметрические, технологические, технические, аппаратурные, субъективные.
По используемым данным факторы опасности разделяем на два типа: непосредственно параметры состояния объекта, измеряемые традиционным способом; параметры, которые не поддаются непосредственному измерению, представленные в виде текстового описания, таблиц, диаграмм и экспертных оценок.
Под фактором опасности будем подразумевать только одно из звеньев причинной цепи отказа. Степень влияния каждого фактора на возникновение отказа будем учитывать введением весовых коэффициентов (рангов) на основе экспертных оценок.
По каждому из факторов выявляются опасные внешние воздействия, действующие на технологический процесс (ТП): коррозия, усталостные явления в материалах и сварных соединениях, механические повреждения, отклонение параметров от рабочих значений, ошибки персонала и т. д. (рис. 1). Определение количества параметров, влияющих на отказы и аварии оборудования, производится опросом экспертов.
Рис. 1. Модель анализа риска возникновения АС
К параметрическим факторам Р(р\, ... рг... рп) отнесем измеряемые традиционным способом параметры ТП: концентрация, температура, давление, масса, расход и т. д. К технологическим факторам ^7(г?\, ... 2^... т^П) отнесем дефекты изготовления оборудования, качество материалов, коррозионную стойкость трубопроводов, арматуры и оборудования, износ оборудования. Технические факторы 2Х(тх\, ... тх{... тхП) определяют тип оборудования, соответствие техническим условиям. Аппаратурные факторы ТЛ(та\, ... таг... таП) определяют качество работы измерительных приборов, средств автоматики. К субъективным факторам (влияние человека) ZS'(zs\, ... zsг... 2$п) отнесем ошибочные действия персонала, организацию технического обслуживания и ремонта.
Для учета параметрических факторов, измеряемых традиционным способом, в реальном времени сформирован блок расчета параметрического показателя объекта £.
Для оценки состояния объекта по технологическим, техническим, аппаратурным, субъективным факторам, представленным в виде лингвистического описания, соответственно сформируем блоки расчета технологического £2, технического £3, аппаратурного £4, субъективного £5 показателей состояния объекта.
При определении состояния объекта по факторам опасности, измеряемым в реальном времени традиционным способом, предлагается использовать показатель технического состояния, непосредственно зависящий от параметров ТП, измеряемых традиционным способом. Под оценкой показателя технического состояния (параметрический показатель) будем понимать нахождение объекта в нормальном, предаварийном и аварийном состоянии. При этом параметрический показатель является непрерывной величиной, зависящей только от непрерывных переменных, т. е. представляет собой непрерывную функцию непрерывных аргументов £ = АР\, ■■■ рг ■■■ Рп).
Параметры ТП образуют вектор Р(р\,... рг... рп). Величина вектора Р будет определять параметрический показатель.
Для придания каждому из параметров ТП веса, отражающего его значимость в ходе определения £\, предлагается прибегнуть к опросу экспертов.
Каждый параметр может иметь одну или две зоны опасных значений: Н и Ь (рис. 2).
Рис. 2. Нормирование параметров
Преобразуем текущее значение параметра рг, \ < г < п, в безразмерную величину q, если он имеет одну или две зоны опасных значений:
Чг =
1,
1 II
Рг - Рг
если рг < р;
если р1- < рі < рі,
если рі < рі < ріі,
если рг < рг
где рг - текущее значение параметра; р1г, рнг - предупредительные значения параметра; р11г, ршг предельно допустимые значения параметра.
1
В результате все параметры рг являются безразмерными и изменяются в диапазоне {0, (рис. 2).
Значение параметрического показателя определим по принципу логико-вероятностной оценки [3]:
£ = q\+ q2■(l - q\)+ qз■(l - q\)•(l - q2)+ ■■■ + qn (\ - q\)•(l - ql)■ ■■■ (\ - qn-\).
Для обозначения влияния отдельного параметра ТП на параметрический показатель используем весовые коэффициенты г, которые определяем при помощи метода экспертных оценок. Весовой коэффициент должен представлять собой целое число, отражающее значимость одного параметра по сравнению с другими параметрами. На основании полученных данных необходимо повторно сформировать вектор параметров, включив в него столько раз значение каждого технологического параметра, сколько того требует его весовой коэффициент.
Формальное описание множества факторов опасности, учитываемых при оценке технологического ТТ, технического ТХ, аппаратурного ТА и субъективного ТБ показателей состояния объекта, представлено следующим видом:
Т = {^(Р, w, к)}, I = \ п, (¡)
где тг - г-й фактор опасности; Р - оценка фактора опасности; к = {«низкий», «средний», «высокий»} - уровень доверия к оценке фактора опасности; w - степень влияния на формирование отказа и аварии.
При этом показатель состояния объекта £ есть функция оценок факторов опасности £ = _Дт\, ..., тп). Влияющие факторы рассматриваются как лингвистические переменные, которые заданы на соответствующих универсальных множествах при помощи лингвистического терм-множества.
На основе диапазона изменения оценок факторов, входящих в дерево АС, образуется универсальное множество и. Каждый из терминов формализуется нечетким множеством У. Задав конечное множество в виде и = Ы\ + и2 + ... + иг + ... + ип, можно определить нечеткое множество У = Ц\/и\ + ц2/и2 + ... + цг/иг + ... + цп/ип, где иг - г-й элемент множества и; цг - функция принадлежности элемента иг нечеткому множеству У, 0 < цг < \
Как было указано выше, в описании факторов опасности (¡) используется w - степень влияния на показатель состояния объекта. Диапазон влияния принят w = [0; \]. При w = 0 фактор не учитывается, при w = \ фактор непосредственно влияет на АС в системе.
Для оценки показателей состояния объекта £2, £3, £4, Б5 по влиянию факторов опасности Т (т\, ., тп) используется продукционная база знаний, включающая в себя базу данных и базу правил с использованием логических правил типа ЕСЛИ - ТО.
Базы данных по факторам ТТ, ТХ, ТЛ, ТБ формируются на основе экспертных оценок параметров 2\, ., тп, а также на основании результатов диагностики оборудования и нормативных актов.
Для определения показателей состояния объекта £2, £3, £4, Б5 введем лингвистическую переменную «Состояние объекта по фактору» О. Терм-множество представлено двумя элементами: «нормальное» g\, «близкое к аварийному» g2 на универсальном множестве {0 ... Ю}. При этом нечеткие множества «нормальное» и «близкое к аварийному» подразумеваются как дополнения друг к другу [4], и соответственно функция принадлежности = \ - ц^.
База правил формируется на основании данных, полученных от экспертов объекта. В зависимости от сложности описания ТП базу правил можно формировать как для состояния «нормальное», так и для состояния «близкое к аварийному». Учитывая, что в технологических регламентах, правилах, инструкциях по эксплуатации оборудования диапазон изменения параметров ТП и требования к обслуживанию оборудования указаны для нормальной и безопасной эксплуатации оборудования, предлагается формировать базу правил для состояния «нормальное». Для судов и сооружений с разветвленной трубопроводной сетью (танкеры, суда-заправщики, буровые сооружения) база правил по определению состояния трубопровода может иметь следующий вид:
ЕСЛИ качество материалов трубопроводов «выше среднего», техническое состояние трубопровода «хорошее», .
ТО состояние трубопровода «нормальное»,
ИНАЧЕ состояние трубопровода «близкое к аварийному».
Если в системе определено п фракторов г1 и определено множество О, причем г1 описывается лингвистическими переменными Zl\, г12, ... г1к, а О - переменными g1, g2, то набор правил будет иметь следующий вид:
ЕСЛИ г11 и г21 и .и г11, или ЕСЛИ . ,
или ЕСЛИ г1к и г2к и ... и г1к,
ТО g1,
ИНАЧЕ g2.
Формализуя, получим:
ЕСЛИ (ги • г21^ ...• га) или ЕСЛИ (...)
или ЕСЛИ (...),
ТО gl,
ИНАЧЕ g2.
На основе полученного набора правил традиционно строится матрица нечеткого отношения Я = (г„^2^ ...^11+... + г^2^ ... •г*) • gl.
Имея матрицу нечеткого отношения Я, можно определить текущее состояние как Отек = г1тек ° Я, где знаком «°» обозначена операция композиции.
Для того чтобы существенно сократить затраты машинного времени, используем следующий метод расчета функции принадлежности [5]:
т?ек = І 2=1
^ •т7,~ )• •т7"- )• ...• ^т7^ )-т?
І
]2~= ЗХТ=
(2)
/
где JТN - количество элементов нечеткого множества, описывающего гм-й параметр; т - количество правил. Здесь операторы Е и * обозначают логическое сложение и умножение.
Для расчета значения выражения (2) необходимо выполнить не вложенные друг в друга циклы, что существенно снижает время, необходимое для проведения вычислительной процедуры. Значение рассчитывается непосредственно на основании правил, без использования матрицы Я. Таким образом, устраняется необходимость хранения в оперативной памяти большого объема данных.
Принадлежность текущего состояния объекта по каждому фактору ТТ, ТХ, ТА, ТБ к аварийному состоянию определяется функцией принадлежности цкОтек, рассчитанной для каждого ТТ, ТХ, ТА, ТБ.
Логично предположить, что показатель состояния Б можно определить как максимальное значение ц1Отек, где I = 1 ... к, к - количество элементов нечеткого множества, описывающего О. Обозначим функцию принадлежности текущего состояния к заданному в базе правил:
" = І® * I <3>
=ік ■%,:
^N=1
где JzN - количество элементов нечеткого множества, описывающего гм-й параметр в правиле I. Из выражения (2) следует, что принадлежностью текущего состояния объекта к состоянию «нормальное» по каждому правилу т является минимальное значение из выражений (3). Для учета изменений остальных функций (3) при определении показателя состояния Б вместо логических операций применяются алгебраические произведения и суммы [4].
Для одного правила показатель состояния Б представлен в следующем виде:
Б =Пт 7
к=1
где N - количество параметров в правиле, П - оператор алгебраического произведения.
Для т правил, определяющих «нормальное» состояние объекта Б, определено:
Бнорм = Б1 + І
2-1 I \
Б П1 - Б1)
1=1
где Е и П - алгебраическая сумма и алгебраическое произведение соответственно.
Так как состояния «нормальное» и «близкое к аварийному» являются дополнениями друг к другу, то показатель состояния по фактору Т к состоянию «близкое к аварийному» определен: Б = 1 - Б
^авар А ‘-,норм*
В результате получим значение показателей состояния объекта Б1, Б2, Б3, Б4, Б5 по каждому из факторов опасности. Очевидно, что максимальный вклад в возникновение АС внесет фактор с наибольшим показателем Б, в связи с чем можно принять решение о снижении опасности АС. Риск АС на объекте по всем факторам определим по принципу логико-вероятностной оценки [3]:
Яа = Б1 + Б2^1 + S3Q1Q2 + Б4 QlQ2Qз + Б5
где Б1, Б2, Б3, Б4, Б5 - показатели состояния объекта; Q1 = 1 - Б1, Q2 = 1 - Б2, Q3 = 1 - Б3, Q4 = 1 - Б4.
Яа всегда находится в пределах [0, 1] при любых значениях Б и учитывает влияние всех факторов.
Применение многофакторного анализа риска с использованием экспертных систем отображает всю историю формирования и развития АС. Достоинство этого подхода составляет возможность учета основных факторов, влияющих на формирование АС морских технических систем, среди которых могут быть как традиционные параметры ТП, так и параметры, которые не поддаются непосредственному измерению.
Изменяя входные параметры модели, зависящие от технической системы, результатов диагностики оборудования и экспертных оценок, можно определить уровень риска АС и давать сравнительную оценку надежности и безопасности сложных морских технических систем, таких как корабли и суда флота, морские инженерные сооружения, стационарные и плавучие буровые платформы и т. д. На основании этого можно принимать решения по снижению риска АС на объектах с учетом затрат на их предупреждение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елохин А. Н. Анализ и управление риском: теория и практика. - М.: ПолиМЕдиа, 2002. - 192 с.
2. ГОСТ Р 51901-2002. Управление надежностью. Анализ риска технологических схем. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 22 с.
3. Соложенцев Е. Д. Сценарное логико-вероятностное управление риском в бизнесе и технике. - СПб.: Изд. дом «Бизнес-пресса», 2004. - 216 с.
4. Беллман Р., Задэ Л. Принятие решений в расплывчатых условиях // Вопросы анализа и процедуры принятия решений. - М.: Мир, 1976. - С. 172-215.
5. Проталинский О. М. Применение методов искусственного интеллекта при автоматизации технологических процессов. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 183 с.
Статья поступила в редакцию 1.09.2008
2=2
EVALUATION OF PARAMETERS OF EMERGENCIES OCCURRENCE IN MARINE ENGINEERING SYSTEMS
O. M. Protalinsky, D. V. Nemchinov
To increase the safety of complex marine engineering systems the multifactor analysis for estimation of influence of the object parameters on probability of occurrence of emergency situation is offered. The factors, which cause occurrence of emergency situation, are divided into parametric, technological, technical, instrumental and subjective. On each of the factors the index of the object condition, which evaluates the influence of the factor on the origin of emergency situation, is introduced. The risk assessment of the object on all the danger factors is made. The calculation of the indices of the object condition and the risk assessment of the object are executed with the use of logical-and-probabilistic estimation, the device of fuzzy sets and expert systems.
Key words: the marine engineering systems, the factor analysis, an emergency situation, the risk assessment, the fuzzy sets, the expert systems.
