CC BY
137
-►
Математическое моделирование: методы, алгоритмы, технологии
УДК 519.711.3
А.В. Матвеев, М.В. Иванов, А.Б. Шевченко
АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ АЭС
Промышленные объекты ядерной энергетики имеют высокую потенциальную опасность, связанную с возможностью массового поражения людей в случае возникновения крупных аварий и пожаров. Авария и пожар на Чернобыльской атомной электростанции (АЭС) — убедительное подтверждение того, что недостаточная защищенность таких объектов приводит к губительным последствиям для населения не только конкретного региона, на территории которого расположен аварийный объект, но и огромных окружающих территорий. Поэтому повышение пожарной безопасности АЭС — одно из наиболее важных направлений обеспечения безопасности не только данных промышленных объектов, но и техносферы в целом.
Статистика пожаров, взрывов и других аварий на АЭС показывает, что пожарная безопасность АЭС не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к безопасности АЭС в целом. Интенсивность возникновения пожаров на АЭС значительно выше интенсивности возникновения других аварийных ситуаций, например, таких, как разгерметизация первого контура, паропровода или трубопровода питательной воды и др. Согласно имеющимся данным, на АЭС всего мира происходит от 35 до 50 пожаров и взрывов в год. Эта статистика свидетельствует о том, что существующая система обеспечения пожарной безопасности на АЭС является недостаточно эффективной.
Таким образом, в настоящее время существует настоятельная необходимость совершенствования интеграции автоматизированной системы управления технологическими процессами предприятий атомной энергетики с системами противопожарной защиты. Необходимы систем-
ные исследования, направленные на повышение эффективности противопожарной защиты на объектах АЭС.
При создании систем пожарной безопасности на АЭС отечественные специалисты руководствуются общими требованиями пожарной безопасности, изложенными в [1—3]. При разработке проектов на строительство объектов ядерной энергетики в России учитываются требования руководства МАГАТЭ по безопасности [4].
В соответствии с этими документами концепции пожаровзрывозащиты АЭС предусматривают многоуровневую глубокоэшелонированную защиту, целью которой является обеспечение безопасности при нормальной эксплуатации ядерных реакторов и в аварийных ситуациях; создание систем обнаружения и предотвращения распространения огня, локализации и ликвидации пожара; разработка превентивных мер защиты, ограничивающих ущерб от пожара при проектных и гипотетических авариях на АЭС до приемлемого уровня.
Пожары на АЭС могут быть причиной возникновения радиационной опасности, а также непосредственно наносят большой ущерб как прямой, в результате гибели людей, уничтожения и повреждения материальных ценностей, сооружений, оборудования, так и косвенный, вследствие недовыдачи электроэнергии в единую энергосистему. Анализ аварийности ядерных установок, проведенный комиссией по атомной энергии в США, показал, что материальный ущерб от пожаров превышает 60 % общего ущерба от всех аварий и неполадок на АЭС, причем отмечено немало пожаров с прямым ущербом свыше 1 млн долл. США [5].
За последнее десятилетие на зарубежных АЭС доля крупных пожаров (с выходом радио-
активных веществ за пределы станций) составила 0,5 %, средних (с выходом радиоактивных веществ в пределах реакторного здания) - 8-9 %, остальное - незначительные пожары, не связанные с выходом радиоактивных веществ из активной зоны ядерного реактора.
К внешним причинам природного характера, приводящим к пожарам на АЭС, относятся экстремальные воздействия ветра (смерчи, торнадо и т. п., возникающие с частотой 10-6—10-3 в год, наводнение - 10-7-10-2 в год, сейсмические -10-5—10-2 в год и др.). Внешние причины, приводящие к пожарам, вызванные человеческой деятельностью, связаны с авиационными катастрофами, транспортными авариями, саботажем, терроризмом и др.
Под внутренними причинами техногенного характера понимаются:
проектные аварии - течь теплоносителя первого контура с частотой 3 • 10-4 в год; потеря теплоносителя - 2-10-5 в год; разгерметизация корпуса ядерной энергетической установки -10-7 в год и др.
К внутренним причинам организационного характера относятся:
неудовлетворительная организация технического обслуживания, неправильные действия операторов;
дефекты проекта и монтажа, в т. ч. отсутствие надежной технической защиты от несанкционированных (ошибочных или умышленных) аварийных действий обслуживающего персонала, способных привести к взрыву реактора, пожару и выбросу радиоактивных материалов;
неудовлетворительное качество инструкций и руководящих документов.
Проведенный анализ [4-6] показал, что наиболее часто к пожарам приводят ошибочные действия персонала, повреждения электроустановок, повреждения оборудования, нарушение технологической операции.
Анализ пожаров, происшедших на АЭС с реакторами всех типов в мире, показывает, что наиболее часто пожары возникают в машинных залах, реакторных отделениях, открытых распределительных устройствах, деаэраторных этажерках и участках с размещением электротехнических устройств. Опубликованные в [4] результаты позволяют сделать вывод, что основными причинами пожаров являются короткие замыкания и перегрузки, нарушения правил пожар-
ной безопасности при проведении огневых работ, неисправность и нарушение правил эксплуатации технологического оборудования, неосторожное обращение с огнем, нарушение правил эксплуатации электроустановок и электробытовых приборов, самовозгорание материалов.
Наиболее подвержены [4-5] преждевременному старению и являются «инициаторами» возгорания: изоляция кабеля - 38 %, насосы первого и второго контуров - 12 %, турбогенераторы -11 %, маслопроводы - 24 %, электронное оборудование - 6 %, трансформаторы - 6 % и вентиляционные системы - 3 %. Анализ причин пожаров показал, что в машинном зале АЭС от возгорания трансформаторного масла происходит пожаров -29 %, загораний изоляции кабеля - 25 %, взрывов и загораний масла в системах регулирования и охлаждения - 12 %, горения пускателей и переключателей - 9 %, возгорания смазки подшипников - 11 %, взрывов и горения водорода в системе охлаждения турбогенератора - 14 %.
Традиционно сложилось два направления в обеспечении пожарной безопасности объектов. Первое включает методы и средства предотвращения пожаров и взрывов на объектах, второе -непосредственно тушение пожаров на месте их возникновения [7]. Достижение предельно допустимых значений опасных факторов для большинства пожаров происходит за 5-10 мин после его начала, потеря несущей способности металлических конструкций - за 10-15 мин. В то же время эффективные действия пожарных подразделений начинаются через 25 мин, с учетом прибытия их на пожар в среднем за 17 мин. Тяжесть последствий от пожаров усугубляется из-за 50 % отказов систем автоматической пожарной защиты. Общий принципиальный недостаток всех существующих систем пожарной автоматики - высокий процент ложных срабатываний, достигающий в отдельных случаях 90 %. Данные факторы и определяют, что наиболее приоритетным должно являться первое направление, выраженное в прогнозировании и предотвращении возникновения пожаров на АЭС.
В рамках решения комплексной проблемы управления пожарной безопасностью на АЭС создается соответствующая система.
За основную функцию системы управления пожарной безопасностью (СУПБ) АЭС принято обеспечение требуемых показателей эффективности управления пожарной безопасностью
на АЭС. В качестве показателя эффективности функционирования СУПБ рассматривается количество пожаров на АЭС за определенный период времени.
При разработке системы управления пожарной безопасностью АЭС в целом необходимо подразделить ее на ряд подсистем: целевую, защитную, обеспечивающую. Эти подсистемы образуют механизм управления, представляющий собой совокупность органов управления, средств, методов и инструментов, с помощью которых они воздействуют на объект управления для гарантированного достижения цели, стоящей перед системой.
Технология управления пожарной безопасностью есть преобразование информационных, технических, временных, финансовых ресурсов в интересах обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности АЭС.
Функциями целевой подсистемы СУПБ на АЭС предложено выбрать мероприятия по сбору, обработке, выдаче информации в области противопожарной защиты, осуществление мониторинга, выявление негативных факторов и нарушений, способных потенциально привести к реализации пожарной ситуации.
Функциями обеспечивающей подсистемы выступают мероприятия, направленные на ликвидацию выявленных нарушений и факторов, потенциально приводящих к реализации пожарной ситуации на АЭС.
Функциями защитной подсистемы выступают мероприятия, направленные на обнаружение и предотвращение распространения огня в случае наступления пожара на АЭС, локализации и ликвидации пожара; разработка превентивных мер защиты, ограничивающих ущерб от пожара на АЭС до приемлемого уровня.
При моделировании системы управления пожарной безопасностью АЭС необходимо учитывать, что она функционирует в условиях воздействия внешней среды. Внешняя среда осуществляет негативные воздействия, выраженные в появлении негативных факторов и нарушений, приводящих к реализации пожаров на АЭС.
Предложенный подход к управлению пожарной безопасностью в рамках отношений двух сторон (СУПБ, состоящей из трех подсистем, и внешней среды) позволил разработать совокупность конструктивных методов и модели построения и использования компонентов системы.
Обычно система имеет определенный количественный состав (элементы системы), распределенный в пространстве с соответствующими зонами воздействия (влияния), выполняющий определенные функции.
Применение методов декомпозиции и агрегирования позволило представить процесс управления пожарной безопасностью на АЭС в виде трех базовых компонентов:
интенсивность появления негативных факторов и нарушений, приводящих к пожарам на
АЭС;
интенсивность идентификации целевой подсистемой СУПБ опасных негативных факторов и нарушений;
интенсивность действий обеспечивающей подсистемы СУПБ, направленных на нейтрализацию выявленных негативных факторов и нарушений.
Для оценивания показателя эффективности управленческих решений по предотвращению возникновения пожаров на АЭС необходимо определить вероятность нейтрализации выявленных негативных факторов и нарушений.
Требуется сформировать адекватную аналитическую модель системы управления пожарной безопасностью, в зависимости от различной организационно-технической и социально-экономической обстановки, а также сформировать показатель эффективности управленческих решений по предотвращению возникновения пожаров на АЭС и показатель эффективности функционирования СУПБ в целом, основанный на установлении формальной аналитической зависимости между тремя базовыми компонентами.
Для оценивания эффективности управления пожарной безопасностью необходимо установить зависимость показателя эффективности от пространственно-временных состояний компонентов системы, организационно-технических возможностей и управляющих воздействий.
Метод оценивания показателя эффективности управленческих решений по предупреждению возникновения пожаров на АЭС состоит из двух последовательных этапов: обоснование оценивания; формирование показателя эффективности управленческих решений.
Этап 1. Обоснование оценивания. 1. Оценивание требует:
типизировать воздействия поражающих негативных факторов, потенциально приводящих к реализации пожаров на АЭС;
установить уровень пожарной опасности в зависимости от воздействий поражающих факторов;
разработать методику обоснования путей снижения уровня опасности до допустимого уровня.
2. Оценивание предполагает: формализацию процессов воздействий в рамках теории нестационарных потоков Пуассона;
формализацию деятельности СУПБ по предупреждению возникновения пожаров на АЭС в рамках теории обслуживания нестационарных потоков Пуассона по показательному закону с переменной интенсивностью;
разработку аналитической модели процесса взаимодействия СУПБ на АЭС и окружающей среды;
представление общего количества пожаров на АЭС уравнением результативности действий;
выбор пути повышения эффективности СУПБ по предупреждению возникновения пожаров на
АЭС.
3. Оценивание позволяет обосновать рациональные действия и способы их реализации на основе разработанной модели.
Этап 2. Формирование показателя эффективности управленческих решений по предупреждению возникновения пожаров на АЭС и эффективности функционирования СУПБ в целом.
Базовыми компонентами в процессе управления пожарной безопасностью на АЭС являются:
Х^ДХД), Х2(?),..., \(0) - интенсивности появления негативных факторов и нарушений, приводящих к пожарам на АЭС, п - количество негативных факторов;
уц(0=(уД0, ^2ц(?),У3ц (?), ...., уДО) - интенсивность идентификации целевой подсистемой СУПБ опасных негативных факторов и нарушений;
у°(0=(уД0, ^Д?),уД?), ...., V °(0) - интенсивность действий обеспечивающей подсистемы СУПБ, направленных на нейтрализацию выявленных нарушений.
Промежутки времени между моментами идентификации факторов являются величинами случайными. Обнаруженные факторы во времени образуют поток, который весьма близок к потоку Пуассона. Время обработки данных о требуемом факторе также случайная величина. Обработан-
ные в системе данные о факторах распределяются далее между выделенными структурами, решающими соответствующие задачи по нейтрализации негативных факторов и нарушений.
Не нарушая общности рассуждений, рассматривается случай, когда время пребывания требуемых негативных факторов в области действия подразделений целевой подсистемы весьма ограничено и соизмеримо со временем, которое необходимо для их идентификации, а также обработки данных и принятия адекватных действий по этим выявленным негативным факторам. Поэтому такую сложную систему можно в первом приближении рассматривать как систему с отказами.
На основе данных допущений и предположений была сформирована система дифференциальных уравнений, описывающих функционирование рассматриваемой системы при реализации процесса обнаружения и нейтрализации «/»-го негативного фактора или нарушения:
ш
+
<к
4- = р™ (о • \ (о - ( о ■ V ДО+
си с1
(1)
с1г
при граничных условиях: Р00(?0) = 1, Р10(?0) =
= Р%) = Р11(^0) =
При решении данной системы уравнений для стационарных процессов оказалось возможным получить аналитическое значение Р.(?) - вероятности обнаружения и нейтрализации «/»-го негативного фактора или нарушения, способного потенциально привести к реализации пожара:
т)=
уД0-уД0
-•(2)
V) • уД0+ у ДО) + у ДО ■ у ДО'
Показатель эффективности управления пожарной безопасностью на АЭС можно определить из следующего выражения:
/ = ¿^(0(1 -РД0)/?п(0Л, (3)
( 1 7
где I - количество пожаров, произошедших на объектах АЭС за период времени Т; X (?) - интен-
сивности появления «/»-го негативного фактора, приводящего к пожарам на АЭС, / = 1, п; Р,п(?) -вероятность того, что существующий негативный фактор или нарушение приведет к наступлению пожара.
При этом необходимо учитывать ограничения на ресурсы соответствующих подсистем СУПР на АЭС:
Sjvf(i) = Ä4.
1=1 т (=1 Т
где Яц - ресурсы целевой подсистемы СУПБ; Я0 -ресурсы обеспечивающей подсистемы СУПБ.
(4)
Предложенная аналитическая модель системы управления пожарной безопасностью на АЭС позволяет в условиях воздействий негативных факторов определить интенсивности деятельности
соответствующих подсистем СУПБ, удовлетворяющих требуемым показателям эффективности функционирования модели системы при дифференциальных связях, наложенных на вероятности состояний системы, ограничениях на интенсивности деятельности соответствующих подсистем СУПБ, ресурсы СУПБ, соответствующих граничных условиях.
Разработанный инструмент позволяет оценивать эффективность проведения профилактических мероприятий, прогнозировать результаты деятельности СУПБ на АЭС и вырабатывать определенные требования к ее деятельности для поддержания необходимого показателя эффективности. Предложенный методический аппарат может быть применен для разработки исходных данных и выработки решений руководящим составом АЭС, а также систем поддержки принятия решения при управлении пожарной безопасностью АЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12.1.004.91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования [Текст].
2. ВСН-001-87. Противопожарные нормы проектирования АЭС [Текст].
3. НПБ 88-2001. Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования [Текст].
4. Топольский, Н.Г. Автоматизация систем предотвращения предпожарных режимов на АЭС [Текст]/ Н.Г. Топольский, С.Г. Гордеев//Матер. IV Междунар. конф. Информатизация систем безопасности.-ИСБ-95.-М.: МИПБ МВД России, 1995.-С. 143-45.
5. Землянухин, М.В. Задачи совершенствования систем пожарной сигнализации объектов атомной энергетики [Текст]/М.В. Землянухин//Ма-тер. XIII Междунар. конф. Системы безопасности-СБ-2004. -М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. -С. 223-225.
6. Членов, А.Н. Анализ тенденций развития тех-
нических средств пожарной сигнализации [Текст]/ А.Н. Членов, М.В. Землянухин., А.В. Родионов// Матер. XIII науч.-техн. конф. Системы безопасности-СБ 2004.-М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. -С. 220-223.
7. Матвеев, А.В. Системное моделирование управления риском возникновения чрезвычайных ситуаций: Дисс. ... канд. техн. наук [Текст]/А.В. Матвеев. -СПб УГПС МЧС России, 2007.
8. Матвеев, А.В. Обеспечение безопасности хозяйствующего субъекта на основе управления пожарным рискомпьютер [Текст]/А.В. Матвеев, М.В. Иванов, А.Б. Шевченко// Матер. XII Всерос. конф. по проблемам науки и высш. шк; Сб. Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах. -СПб., 2008.
9. Гнеденко, Б.В. Введение в теорию массового обслуживания [Текст]/Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко. -М.: Наука, 1966.
