Управление функциональностью эрготической системы в режимах нормальной и аварийной эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 504.064 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-19-22

УПРАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬЮ ЭРГОТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В РЕЖИМАХ НОРМАЛЬНОЙ И АВАРИЙНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

MANAGEMENT FUNCTIONALITY ERGOT SYSTEM IN NORMAL AND EMERGENCY OPERATION

© 2015 г. В.М. Забабурин, М.А. Задоенко

Забабурин Владимир Михайлович - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «БЖДиООС», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-53-13. E-mail: zababurin64@mail.ru

Задоенко Марина Александровна - аспирант, кафедра «БЖДиООС», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-53-13. E-mail: m.zadoenko@mail.ru

Zababurin Vladimir Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «BZhDiOOS», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-53-13. E-mail: zababurin64@mail.ru

Zadoenko Marina Alexandrovna - post-graduate student, department «BZhDiOOS», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-53-13. E-mail: m.zadoenko@mail.ru

Дано определение понятия «функциональность» системы. Предложен нестандартный подход управления функциональностью системы в аварийных ситуациях. Обосновано использование физического показателя функциональной дестабилизации системы. Рассмотрены признаки предаварийного состояния сложной системы. Приведена графоаналитическая модель развития техногенной ЧС. Установлен факт неизбежного нарастания энтропии системы при переходе ее в аварийное состояние. Произведено структурирование процесса развития системы в ЧС на три стадии. Сформулированы условия получения информационной базы для построения прогнозных моделей, которые оценивают риски и сценарии формирования ЧС.

Ключевые слова: эрготическая система; оперативное управление; оценка состояния; функциональность системы; графоаналитическая модель; аварийный режим; техногенная авария; риск.

The definition of the concept of "functionality" of the system. Proposed an unconventional approach control system functionality in emergency situations. The substantiation of the use of physical indicator offunctional destabilization of the system. Considered signs of pre-fault state of a complex system. Refer gra-foanalitichesky model of man-made disasters. The fact of the inevitable increase of entropy of the system during its transition to an emergency condition. Produced by structuring the development process of the system in emergency situations on three stages. Formulated the conditions for obtaining the information base for building predictive models that assess risks and scenarios for emergency situations.

Keywords: human-machine system; operational management; assessment; system functionality; graphical-analytical model; emergency mode; technogenic accident risk.

Ключевым моментом при решении задачи управления функциональностью эрготической системы (далее - просто системы) является проблема объективной оценки ее состояния в нормальном и аварийном режимах. Решать эту задачу следует, на наш взгляд, с позиции оценки физических характеристик системы, оптимизации уровня ее функциональности, а также графоаналитического моделирования динамики развития техногенной ЧС в условиях горнодобывающего предприятия [1].

Исходя из постулата: «...изменение состояния сложной открытой системы есть результат ее обменных процессов с внешней средой», - можно предположить, что соотношение собственного энергопотенциала системы и энергии внешних возмущающих потоков обусловливает состояние системы в дискретный момент времени, поведение ее на заданном временном интервале и уровень возможных последствий [2]. С этих позиций, управление функциональностью системы есть процесс воздействия на ее элементы с

целью минимизации отрицательных последствии, и его можно осуществлять путем расчета временных и динамических характеристик системы.

Под функциональностью системы следует понимать ее способность выполнять работу в заданных условиях на определенном интервале времени [3]. В общем случае уровень функциональности системы есть отношение ее функционала (ф) к общему потенциалу (П), выраженное в процентах:

100.

п

Функционал системы характеризует ее текущие возможности по выполнению основнои функции. Потенциал обусловлен предельными значениями заданного параметра и способностью выполнять функции в полном объеме.

На ветви функциональности системы целесообразно выделять следующие режимы:

1. Режим нормальной работы.

2. Режим предаварийного состояния.

3. Аварийный режим.

Для оценки текущего состояния системы (в любом режиме) целесообразно ввести физический показатель ее функциональной дестабилизации, характеризующий энергобаланс взаимодействия системы и внешней среды.

В режиме нормальной эксплуатации система находится в состоянии энергетически адаптированного равновесия с внешней средой [4]. С этих позиций энергобаланс взаимодействия между ними можно представить как

Переход системы в режим предаварийного состояния обусловлен, прежде всего, нарушением ее структурной организации («деформацией» отдельных элементов и связей), что создает условия для снижения функциональности системы в целом. В основе этого процесса всегда лежат физические закономерности, но из-за разнообразия и изменчивости действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер.

Изменение показателя функциональной дестабилизации системы АКд может быть представлено в виде функции ряда входных параметров х1, х2,..., хп и времени ^

АКд=Т( х1; х2,..., хп;/).

Параметры х{ характеризуют условия эксплуатации, состояние элементов и другие факторы, влияющие на процесс формирования предаварийной ситуации. Конечно, при наличии только функциональной зависимости невозможно точно предсказать развитие данного процесса, так как сами аргументы х1, х2,..., хп из-за непредвиденных изменений являются случайными величинами.

В качестве основного универсального признака предаварийного состояния системы можно использовать увеличение времени ее реакции и релаксации, поскольку с приближением к критическому переходу система все медленнее реагирует и восстанавливается от различных воздействий, все труднее возвращается в точку своего равновесия [5]. В частности, время реакции на внешние возмущения ^ и скорость восстановления функциональности ув отражают способность рассматриваемой системы инициировать внутренние компенсирующие процессы, направленные на устранение в ней неравновесности, т.е. проводить релаксацию системы. Первый показатель может считаться критерием оценки эффективности оперативного управления, так как характеризует временной интервал приведения в норму элемента системы (или системы в целом) после воздействия на них потоков возмущения внешней среды. Второй - определяет относительную восстанавливаемость системы и может быть рассчитан по формуле

Т'в = , %/ч,

в V '

где Дф - удельная функциональность элемента, %, равна отношению фактической производительности системы, которая определяется по датчикам контроля с помощью экспертной оценки, пробным включением или расчетом, к нормативной (обусловленной требованиями НТД); Е ^ - общее время релаксации элемента, ч.

В любом случае знание физической закономерности процесса перехода системы в предаварийное и далее аварийное состояние коренным образом изменяет возможности по оценке хода процесса по сравнению, например, с экспертной оценкой на основе статистических наблюдений.

Не менее важным моментом при оценке уровня функциональности системы является графическая интерпретация динамики ее состояний при формировании, развитии и реализации техногенной ЧС. Установлено, что техногенная ЧС с физической точки зрения является динамическим процессом, состоящим из ряда взаимосвязанных между собой событий [6]. Однако представление о различных стадиях развития ЧС носит описательный характер, что существенно снижает качество информации о процессах, происходящих на различных стадиях и в целом о сущности самой ЧС. В этой связи предлагается использовать графоаналитическую модель динамики развития ЧС в двухмерной системе координат, где в качестве аргумента используется время ((), а в качестве функции -критерий устойчивости системы (КУ) [7].

Для графической интерпретации техногенной аварии как динамического процесса воспользуемся системой координат, представленной на рисунке. В нижней части координатной сетки (область I) находится зона устойчивого развития системы (пассивная фаза ЧС), в верхней части (область II) - зона катастрофического развития (активная фаза ЧС) [8].

Динамика развития техногенной ЧС

На начальной стадии система находится в точке А, что соответствует ее устойчивому функционированию. С течением времени система эволюционирует и уровень ее устойчивости снижается. Это значит, что система переходит из состояния А в состояние В. При этом характер траектории может быть различным, траектория АВ отображает лишь общую тенденцию развития. Такая направленность эволюции системы соответствует концепции допустимого риска и отражает факт неизбежного нарастания энтропийной составляющей в динамической системе. Переход из состояния А в состояние В - это накопление эффектов, создающих предпосылки потери устойчивости системы, или стадия зарождения ЧС.

Определяющим моментом на траектории развития исследуемой системы является состояние В, которое может рассматриваться как точка бифуркации [9], в которой осуществляется выбор между состоянием устойчивого функционирования и катастрофического развития системы. Эволюция в этой точке может пойти как в том, так и в другом направлении. Если в силу определенных обстоятельств нарастают негативные процессы, то система переходит в режим катастрофического развития. Это отражено кривой ВС. В соответствии с терминологией, принятой в области БЖД, процессы, идущие в направлении ВС, называют периодом развития катастрофы, или стадией инициирования ЧС.

Дальнейшее развитие техногенной ЧС происходит, начиная, как правило, от точки состояний С. При этом выделяется основная доля энергии, порождающей негативное развитие. Период эволюции по траектории СD принято называть экстремальным периодом, или стадией кульминации.

С выбросом основной части энергии система активно развивается по траектории DЕi, что отражает снижение уровня неустойчивости и в принятой терминологии такой переход называют периодом затухания. На ветви затухания могут формироваться точки бифуркации Еь в которых система способна перейти в новые квазиустойчивые или устойчивые состояния.

Графически эти состояния соответственно отражают траектории Е^, Е2F2 и Е^.

Развитие процессов в направлении Е^ переводит систему в более устойчивое состояние, но в целом она все еще нестабильна. Период катастрофического развития (активная фаза) не завершен, и в зависимости от ситуации возможен либо повтор сценария катастрофического развития, либо система медленно в новом качестве перейдет в зону устойчивости. Кроме того, возможен сценарий, когда реализуется траектория DЕ2 и за ней Е^2. Система переходит в зону устойчивости, и состояние ее по существу метастабиль-ное. И, наконец, вероятны процессы развития по траекториям DЕ3 и Е^3. Система возвращается в состояние устойчивости, которое теперь более стабильно, чем было в начале процесса (точка Е3 лежит ниже точки А ).

В целом вся траектория АВСDEiFi графически отображает динамику развития эрготической системы в ЧС. При этом анализируемая система проходит через три следующие фазы развития:

- зона устойчивости с нарастанием негативных процессов (АВ);

- переходный процесс от фазы пассивного развития к активной фазе развития ЧС. Характеристической точкой второй фазы является точка бифуркации В. Эта фаза включает как множество элементов устойчивого состояния системы, так и множество элементов катастрофического развития;

- при активном нарастании множества элементов катастрофического развития и резком уменьшении множества элементов устойчивого развития наступает третья фаза развития системы. Третья фаза - это зона катастрофического развития системы с последующим переходом в область устойчивых состояний (BCDEiFi) [10].

Предложенная графоаналитическая интерпретация техногенной аварии как динамического процесса формирует направленность действия системы управления безопасностью труда (СУБТ) по обеспечению устойчивости производственной системы (на ветви состояний АВ) и создает предпосылки (информационную базу) для построения прогнозных моделей, которые оценивают риски и сценарии их возникновения. Такие модели соотносятся с требованиями промышленной и экологической безопасности, технико-экономическими возможностями системы и формируют стратегию управления ее безопасностью.

Графический анализ траектории АВС показывает, каким образом следует рассчитывать риск аварии как вероятностную характеристику. Из графика на рисунке следует, что риск потери устойчивости системы (перехода в активную фазу ЧС) может быть определен из выражения

R = WAвWвcWcD,

где WAB - вероятность перехода системы из состояния А в состояние В; WBC - вероятность перехода системы

из состояния В в состояние С; WCD - вероятность перехода системы из состояния С в состояние D.

Риск в предложенной интерпретации есть произведение вероятности перехода системы из устойчивого состояния в состояние безразличного равновесия и вероятности перехода из состояния безразличного равновесия в область катастрофического развития.

Таким образом, формализованная оценка физических характеристик функциональности системы, а также графоаналитическая модель развития системы в ЧС имеет исключительное эвристическое и методологическое значение при решении вопросов управления безопасностью в условиях горного объекта.

Литература

1. Забабурин В.М., Миронова А.А. Совершенствование мониторинга безопасности труда на шахте // Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования: сб. тезисов и статей Всерос. конф., г. Новочеркасск, 26 - 28 октября 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 293 - 296.

2. Фролов А.В., Забабурин В.М. Методология управления безопасностью труда на шахте // материалы Международ. науч.-практ. конф. «Белые ночи-2010», СПб.; Донецк, 2010. С. 105 - 107.

3. Забабурин В.М. Физический подход оценки безопасности человека в эрготических системах // Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Ростов-на-Дону - Новомихайловский, 2013 г. Вып. XV / Рост. гос. строит. ун-т Ростов н/Д: РГСУ, 2013. Т. 1. С. 105 - 108.

4. Забабурин В.М. Оценка предаварийного состояния эрго-тических систем // Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение: Т. 38: материалы Междунар. научно-пракг. конф. Вып. 14, Т. 1. Ростов н/Д., 2012. С. 175 - 180.

5. Забабурин В.М. Концептуальные основы энергетического взаимодействия систем в условиях горнодобывающего предприятия // Горный информационно-аналитический бюллетень. М., 2009. Отд. вып. № 12. Безопасность. С. 16 - 22.

6. Безопасность жизнедеятельности: учеб. для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; под общ. ред. С.В. Белова: 5-е изд., испр. и доп. М., 2005. 606 с.

7. Медведев Ю.И. Курс лекций по теории автоматического управления: ч. 2: учеб. пособие. Томск: Томский ун-т, 2006. 87 с.

8. Арнольд В.П. Теория катастроф. 3-е изд., доп. М.: Наука,

1990. 128 с.

9. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. Учеб. руководство. М.: Наука, 1990. 272 с.

10. Музыка О.А. Бифуркации в природе и обществе: естествен-научный и социо-синергический аспект // Современные наукоемкие технологии. 2011. № 1. C. 87 -91. URL: www. http://rae.ru/snt/?article_id=6720&op=sho w_artide&setion=content (дата обращения 12.03.2015)

References

1. Zababurin V.M., Mironova A.A. Sovershenstvovanie monitoringa bezopasnosti truda na shahte [Improved monitoring safety at the mine]. Problemy geologii, planetologii, geo'ekologii i racional'nogoprirodopol'zovaniya. Sbornik tezisov i statej Vserossi-jskoj konferencii, g. Novocherkassk, 26-28 oktyabrya 2011 g. [Problems of geology, planetary, geoecology and environmental management: a collection of abstracts and papers National Conference, Novocherkassk, October 26-28, 2011]. Novocherkassk, LIK Publ., 2011, pp.293-296.

2. Frolov A.V., Zababurin V.M. Metodologiya upravleniya bezopasnost'yu truda na shahte [Methodology safety management at the mine]. Mater. Mezhdunarod. nauch.-prakt. konf. «Belye nochi-2010» [Mater. International. scientific and practical. conf. "White Nights-2010]. St.Petersburg- Doneck, 2010, pp.105-107.

3. Zababurin V.M. Fizicheskij podhod ocenki bezopasnosti cheloveka v 'ergoticheskih sistemah [Physical evaluation approach to human security in the ergot systems]. Tehnosfernaya bezopasnost', nadezhnost', kachestvo, 'energosberezhenie. Mater. Mezhd. nauch.-prakt. konf. , Rostov-na-Donu - Novomihajlovskij, 2013 g. [Technosphere safety, reliability, quality, energy saving: Mater. Int. scientific and practical. conf., Rostov-on-Don - Novomikhailovsky, 2013]. Rostov n/D, RGSU Publ., 2013, vol. 1 (XV), pp. 105-108.

4. Zababurin V.M. Ocenka predavarijnogo sostoyaniya 'ergoticheskih system [Evaluation of pre-threshold ergot systems]. Tehnosfernaya bezopasnost', nadezhnost', kachestvo, 'energosberezhenie. T. 38. Mater. Mezhd. nauchno-prakt. konf. [Technosphere safety, reliability, quality, energy saving: 38. T. Mather. Int. Scient. conf]. Rostov n/D, RGSU Publ., 2012, vol. 14 (1), pp.175180.

5. Zababurin V.M. Konceptual'nye osnovy 'energeticheskogo vzaimodejstviya sistem v usloviyah gornodobyvayuschego predpri-yatiya [Conceptual bases of energy cooperation systems in terms of the mining enterprise]. Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten', 2009, Otd. vol.12. Bezopasnost', pp. 16-22.

6. Belov S.V., Il'nickaya A.V., Koz'yakov A.F. i dr. Bezopasnost'zhiznedeyatel'nosti. Ucheb. dlya vuzov [Safety. Proc. for schools]. Moscow, Vyssh. shk. Publ., 2005, 606 p.

7. Medvedev Yu.I. Kurs lekcij. Chast' 2. Ucheb. posobie [Lectures. Part 2. Proc. allowance]. Tomsk, Tomskij universitet Publ., 2006, 87 p.

8. Arnol'd V.P. Teoriya katastrof. 3-e izd., dop. [Catastrophe theory. 3rd ed]. Moscow, Nauka Publ., 1990, 128 p.

9. Loskutov A.Yu., Mihajlov A.S. Vvedenie v sinergetiku. Ucheb. rukovodstvo [Introduction to Synergetics. Proc. guide]. Moscow, Nauka. Gl. red. fiz-mat. Lit, 1990, 272 p.

10. Available at: http://rae.ru/snt/7article id=6720&op=show article&section=content (accessed 12.03.2015).

Поступила в редакцию 18 февраля 2015 г.