CC BY
86
УДК 004.9
ИННОВАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИИММ КНЦ РАН В СФЕРЕ ПРОМЫШЛЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
С.Ю. Яковлев, А.А. Рыженко, Н.В. Исакевич
Институт информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН
Аннотация
Рассматриваются информационные технологии и методы оценки техногенно-природного риска промышленных объектов и комплексов. Особое внимание уделено вопросам внедрения разработок в практику управления безопасностью предприятий и регионов. Ключевые слова:
информационные технологии, промышленно-экологическая безопасность, оценка риска, опасный объект, градообразующее предприятие.
Введение
Проблемы снижения риска и уменьшения последствий техногенных и природных катастроф входят в число критических технологий федерального уровня. Одним из актуальных подходов к решению этих проблем является рациональное использование информационных ресурсов, в частности, современных информационных технологий. Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра Российской академии наук (ИИММ КНЦ РАН) вопросами промышленно-экологической безопасности, управления рисками занимается с момента основания (1989 г.). В статье представлены основные инновационные направления и результаты за последние годы. Разделы статьи построены однотипно: характеризуется актуальность направления, описываются научно-методические
наработки Института, приводятся краткие сведения о внедрении. Порядок разделов примерно соответствует хронологии выполнения работ.
1. Исследование устойчивости функционирования организаций
Оценка устойчивости крупных (категорированных, градообразующих) предприятий - одно из обязательных регулярных мероприятий, проводимых под эгидой МЧС России. Если в прежние годы основное внимание уделялось чрезвычайным ситуациям (ЧС) военного времени, то на данном этапе концепция гражданской обороны пересматривается, и акцент переносится на исследования ЧС мирного времени. Это тем более актуально, что количество техногенно-природных ЧС имеет тенденцию к возрастанию и именно крупные градообразующие предприятия (региональные комплексы) являются одним из основных источников потенциальных опасностей. Оценка устойчивости крупного предприятия - масштабное и системное исследование, требующее учета разнородных опасностей.
Для более эффективного проведения этой работы в Институте была разработана методика комплексной оценки устойчивости градообразующего предприятия к воздействию ЧС техногенного, природного и социального характера. Особенностью методики является учет не только разнородных опасных объектов в составе предприятия, но и опасных технологических процессов (например, оборот опасных веществ). Выполняется анализ техногенных, природных и социальных опасностей градообразующего предприятия. Для уровней предприятия и отдельных производственных подразделений определяются разнородные источники и объекты воздействия ("приемники") опасностей, описываются связи между ними. В результате формируется система вложенных таблиц (матриц) "источники - объекты", отражающая реляционную природу проявления потенциальных опасностей предприятия (рис. 1). Данная структура, учитывающая взаимосвязь источников и
"приемников", является более полной и точной моделью, нежели традиционное представление опасных источников (в отрыве от "приемников") в виде векторов характеристик.
Объекты воздействия Источники опасностей
Техногенные Природные Социальные
Техносфер а
Природны е системы н
1
н
1
Социосфер а
Объект Источники
\
\
Объект Источники
і^т
Объекты Источники
Объект ы Источники
Рис. 1. Иерархическая структура потенциальных опасностей предприятия
Воздействие чрезвычайных ситуаций на экосферу, техносферу и социосферу оценивается величиной возможного ущерба. В итоге строится комплексная матричная характеристика безопасности предприятия, являющаяся основой для принятия решений по повышению устойчивости.
На основе предложенной методики выполнена комплексная оценка устойчивости ОАО "Апатит". Для хвостового и хлорного хозяйств, склада взрывчатых материалов, четырех рудников, двух апатитонефелиновых обогатительных фабрик, системы энергоснабжения, зданий, сооружений и оборудования определены внутренние и внешние ЧС, установлены основные поражающие факторы, оценен возможный ущерб, выявлены наиболее уязвимые места. Результаты оценки предназначены для обоснования плана мероприятий по повышению устойчивости горно-химического комплекса.
2. Оценка риска аварий на гидротехнических сооружениях
Расчет возможного ущерба от аварий - необходимая составная часть процесса управления промышленно-экологической безопасностью предприятий и регионов. Гидротехнические сооружения (ГТС) - потенциально опасные производственные объекты, имеющие свою специфику. Огромный ущерб от гидродинамических аварий (в России и за рубежом), разнообразие типов и назначения ГТС, предаварийное состояние и отсутствие собственника у многих отечественных ГТС -делают актуальной задачу анализа риска гидросооружений. Определение вероятного вреда при авариях - обязательный элемент в федеральной системе регулирования промышленной безопасности ГТС. Полный расчет вероятного вреда в соответствии с нормативными документами требует многочисленных исходных данных и представляет собой весьма трудоемкое исследование.
В связи с этим был создан экспресс-метод определения последствий аварий на ГТС. В ходе обоснования метода получены следующие результаты: построена информационная модель расчета; уточнены определения основных понятий; сформулированы возможные упрощающие расчет предположения и допущения, позволяющие корректно ограничить работу; разработан алгоритм определения вероятного вреда; обоснована целесообразность использования геоинформационных технологий.
Эффективность метода подтверждена в ходе расчета вероятного вреда для следующих комплексов ОАО "Апатит": ГТС АНОФ-2 с хвостохранилищем в губе Белой оз. Имандра, ГТС АНОФ-3 с хвостохранилищем на р. Жемчужной, ГТС Восточного рудника с отстойниками Коашвинского и Ньоркпахкского карьеров. Для указанных сооружений определены натуральные и стоимостные показатели возможного ущерба (социального, материального, экологического) при авариях, выявлены сценарии наиболее тяжелых и наиболее вероятных аварий.
Расчеты согласованы с ОАО "Апатит", администрациями городов Кировск и Апатиты, Главным управлением МЧС России по Мурманской области, администрацией Мурманской области, утверждены Управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды по Мурманской области, Управлением по надзору в электроэнергетике Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.
Пример расчета и отображения последствий возможных аварий с использованием геоинформационных технологий приведен на рисунке 2.
Рис. 2. Зоны возможного затопления при авариях на ГТС (пример)
3. Автоматизация управления промышленно-экологической безопасностью
Внедрение информационных технологий признается необходимым условием повышения уровня промышленной безопасности, но осуществляется оно относительно медленными темпами, особенно на объектовом уровне. Это объясняется, во-первых, сложностью и (как следствие) слабой формализованностью предметной области, во-вторых, спецификой и новизной промышленной безопасности как объекта управления. К числу субъективных причин, сдерживающих информатизацию, можно отнести ограниченность финансовых ресурсов предприятий и неразвитость сети автоматизированного мониторинга опасностей. Отметим междисциплинарный характер предметной области, обилие нормативных и законодательных актов, многообразие опасных объектов и процессов, отсутствие апробированных методик расчета опасностей и рисков, несвоевременность и недостоверность информации об обстановке.
Эти особенности были учтены при создании концептуальной модели автоматизированной системы поддержки принятия решений (СППР) по управлению промышленно-экологической безопасностью горно-химического комплекса (рис. 3).
СППР
Функциональная структура СППР
Подсистема Подсистема Подсистема Подсистема Подсистема
связи мониторинга анализа и прогноза выработки
оценки рекомендации
Г
АРМ
Направления и объекты контроля СППР
=
АРМ АРМ АРМ АРМ АРМ АРМ
4= МІЗі= мї= \^= [^= М=1
=
ОПАСНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБЪЕКТЫ
Рис. 3. Общая структура СППР
В рамках модели определены функциональные и информационные подсистемы, сформулированы исходные требования к типовым автоматизированным рабочим местам. Новой и важной частью модели является система проектирования интерфейсов для поддержки принятия решений по управлению промышленной безопасностью крупных предприятий. Основные блоки системы - текущая версия интерфейса и встроенный редактор интерфейсов. Редактор обеспечивает возможность создания и изменения типовых окон, что позволяет ускорить процесс отладки пользовательских свойств СППР. Адаптация к конкретным приложениям производится с помощью специально разработанного интерфейса настройки, структура которого представлена на рисунке 4.
Такая структура: позволяет увязать воедино многообразные опасные процессы и объекты, а также функции управления ими; обеспечивает настройку процесса управления на конкретную задачу, функцию или под конкретного специалиста; допускает адекватную реализацию в структуре программного обеспечения СППР.
Апробация полученных результатов выполнена при создании проекта автоматизированной системы управления промышленной безопасностью ОАО "Апатит". Целью работы являлось повышение уровня безопасности за счет автоматизации рутинной деятельности, внедрения информационных технологий и математических методов в практику управления. Новизна и сложность проекта обусловлены комплексным охватом основных опасностей предприятия, а также учетом основных форм и направлений работы
специалистов. Реализована компьютерная модель типового рабочего места системы, при этом для разнородных опасных процессов и объектов предусмотрена возможность работы с различными формами представления информации. Достоинством модели является возможность оперативного формирования информационного обеспечения для поддержки принятия решений по управлению промышленной безопасностью градообразующего предприятия.
Объект Правка Вид
Уровень формирования структуры управления
Склад 1
Склад 2
Опасные
объекты
Уровень опасных процессов и объектов
Документация
Данные
Этапы
управления
Уровень атрибутов опасных процессов и объектов
Рис. 4. Структура интерфейса настройки СППР
4. Разработка деклараций промышленной безопасности
Набирает силу процесс анализа и документирования опасностей промышленных объектов. Одним из первых по времени и важных направлений этой деятельности является разработка деклараций безопасности крупных промышленных объектов. Необходимость в привлечении значительных научных сил объясняется новизной процесса декларирования, широтой охвата возможных опасностей, недостаточностью нормативно-методической базы. В результате разработка декларации (в особенности раздела "Анализ риска") представляет собой в настоящее время самостоятельное научное исследование.
Для повышения оперативности и обоснованности управления безопасностью регионов и предприятий в Институте создана информационная технология оценки техногенно-природного риска, реализующая единый подход к управлению разнородными опасностями и комплексную обработку данных по типовым опасным объектам и процессам. Особенностью технологии является возможность ранжирования элементов по степени опасности, а также выбора рационального уровня безопасности. Для количественной характеристики опасности источника по отношению к объекту предложена случайная величина возможного ущерба от аварий за фиксированный период времени. Естественным обобщением является использование случайных функций ущерба, зависящих от координат и времени. Важным теоретическим достоинством такого обобщения является возможность математически выразить разнообразные используемые риск-показатели в единых терминах законов распределения ущерба. В результате строится унифицированное математическое описание безопасности предметной области.
С использованием этого подхода разработаны декларации безопасности ряда опасных объектов региона: склада взрывчатых материалов, хлорного хозяйства, хранилищ отходов обогатительных фабрик, газонаполнительных станций. Декларации прошли экспертизу Ростехнадзора. На рис. 5
приведен пример отображения результатов декларирования - изолиний территориального риска, нанесенных на топографическую основу.
Рис. 5. Территориальный риск (фрагмент декларирования безопасности)
5. Разработка паспортов безопасности
Решение совместного заседания Совета безопасности Российской Федерации и Президиума Государственного совета Российской Федерации (ноябрь 2003 г.) имело ряд важных для национальной безопасности последствий. Одно из них - паспортизация безопасности объектов и территорий - массовая и относительно новая процедура в системе регулирования промышленной безопасности предприятий и регионов.
Коснемся вопроса о соотношении паспортизации и декларирования безопасности. Можно отметить следующие отличия:
• декларирование выполняется для наиболее опасных и крупных объектов, паспортизация охватывает гораздо более широкий круг потенциально опасных объектов;
• декларирование осуществляется в основном под эгидой Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России (Ростехнадзор), паспортизация - по линии МЧС России;
• декларирование в России проводится около 15 лет и представляет собой достаточно отлаженную процедуру, паспортизация (в современном формате) начата несколько лет назад;
• паспорта безопасности содержат ряд новых элементов оценки риска.
Для поддержки создания паспортов безопасности в Институте реализован комплекс инструментальных программных средств экспресс-анализа риска возможных техногенно-природных аварий для типовых действующих и проектируемых опасных объектов. На основе обработки разнородных данных об авариях и инцидентах на аналогичных объектах генерируется описание возможных аварий, выполняется предварительная оценка их вероятности и ущерба для данного объекта. Выделены следующие группы характеристик аварий: причины аварий; факторы, способствовавшие возникновению и развитию аварий; сценарии развития аварий (в виде деревьев) от исходного (инициирующего) события до ликвидации последствий; ущерб (социальный, материальный, экологический). Предложена унифицированная структура описания техногенно-природных аварий.
С использованием программного комплекса разработаны паспорта безопасности двадцати пяти разнородных опасных объектов Мурманской области. Паспорта согласованы Главным управлением МЧС
России по Мурманской области, один документ прошел экспертизу Северо-Западного регионального центра МЧС России. Разработаны паспорта безопасности двух образовательных учреждений региона. На рис. 6 представлен пример отображения результатов паспортизации - графиков зависимости частоты реализации сценария развития аварии от количества пострадавших, а также от ущерба (так называемые F/N-и F/G-диаграммы или диаграммы социального риска).
0,00009 0,00008 0,00007 0,00006 -0,00005 0,00004 -0,00003 -0,00002 0,00001 0
------ТТТТТТТТТТттп-
I I I I I I I I I
Количество погибших и травмированных, чел.
к 0,00006
0,00001
0
Средние ориентировочные затраты, руб.
Рис. 6. Диаграммы социального риска (фрагмент паспортизации безопасности)
6. Разработка планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов
Разработка планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов (ПЛРН) затрагивает многочисленные предприятия и организации, на которых в тех или иных формах и объемах осуществляются операции с нефтепродуктами. В ПЛРН должны быть рассмотрены не только разливы нефтепродуктов, но и такие возможные последствия, как взрывы и пожары. Документ должен пройти экспертизу МЧС России, а также процедуру согласования и утверждения на различных уровнях (в зависимости от категории максимальной ЧС). Методическое обеспечение разработки ПЛРН следует признать неудовлетворительным: нет ни одного утвержденного методического документа федерального уровня. Всё это делает разработку ПЛРН сложной научной, технической и организационной задачей.
С учетом специфики предметной области в Институте была отработана информационная технология поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации последствий техногенных аварий на объектах нефтепереработки. Особенностями технологии являются автоматизированный синтез сценариев аварий на типовых объектах (рис. 7), а также оценка риска аварий с учетом природно-климатических особенностей территорий.
Рис. 7. Формирование сценариев развития возможных аварий
0,00009
0,00008
й- 0,00007
2 0,00005
о 0,00004
3- 0,00003
0,00002
На основе технологии за последние годы разработаны десять ПЛРН от локального до федерального уровней. Планы прошли Госэкспертизу МЧС России, получены все необходимые согласования и утверждения.
Заключение
В 2005-2007 гг. Институтом пройдена добровольная аккредитация в Северо-Западном региональном центре МЧС России, получены аттестаты аккредитации и заключение о готовности на разработку паспортов безопасности и ПЛРН. Имеется свидетельство на право проведения экспертизы ПЛРН, полученное в Госэкспертизе МЧС России. Исследования Института по анализу риска удостоены серебряной медали 10-й юбилейной выставки-конгресса "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" (Санкт-Петербург, 26-29 сентября 2005 г.) и золотой медали VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 3-6 марта 2008 г.). Основные работы Института в сфере техногенно-природной безопасности отражены в списке литературы. Главными направлениями продолжения исследований представляются обоснование и внедрение новых методов управления безопасностью, современных информационных технологий и систем моделирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Яковлев С.Ю. Идентификация опасных производственных объектов // Идентификация систем и задачи управления (SICPRO'2000): тр. междунар. конф. Вып. на CD-ROM. М.: Изд. ИПУ Ран, 2000. С. 890-897. 2.
S.Yu.Yakovlev. Occupational Safety and Industrial Safety // Barents Newsletter on Occupational Health and Safety. Helsinki, 2001. Vol. 4, № 1:32-36. 3. Ржевский Б.Н., Каретников Е.В. и др. Особенности идентификации, декларирования, экспертизы и страхования опасных производственных объектов ОАО "Апатит" / Б.Н. Ржевский, Е.В. Каретников, С.Ю. Яковлев, М.А. Драновский // Безопасность труда в промышленности. 2002. № 12. С. 6-8.
4. Яковлев С.Ю., Рыженко А.А. Концептуальная модель системы поддержки принятия решений по управлению промышленно-экологической безопасностью градообразующего предприятия // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: тр. междунар. науч. школы МАБР-2003. СПб.: Изд. СПбГУАП, 2003. С. 424-430. 5. Яковлев С.Ю. Информационные технологии поддержки промышленно-экологической безопасности регионов и предприятий // Информационные ресурсы России. 2004. № 2. С. 15-17. 6. Яковлев С.Ю., Матвеев П.И. Основы расчёта вероятного вреда при авариях на гидротехнических сооружениях // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: тр. междунар. науч. школы МАБР-2004. СПб.: Изд. СПбГУАП, 2004. С. 424-429. 7. Яковлев С.Ю., Рыженко А.А. и др. Проект автоматизированной системы управления промышленной безопасностью горно-химического комплекса / С.Ю. Яковлев, А.А. Рыженко, Б.Н. Ржевский, О.В. Натаров // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 11. С. 44-47. 8. Грант РФФИ по региональному конкурсу "Север", проект № 05-01-97500: Разработка моделей оценки техногенно-природной безопасности градообразующих предприятий европейского Севера (на примере оАо "Апатит"). 2005-2007. 9. Яковлев С.Ю., Исакевич Н.В. Количественный анализ промышленно-экологического риска на объектовом уровне // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: тр. междунар. науч. школы МАБР-2007. СПб.: ГУАП, 2007. С. 461-465. 10. S.Yu. Yakovlev, N.V. Isakevich, A.A. Ryzhenko, A.Ya. Fridman. Risk assessment and control: Implementation of information technologies for safety of enterprises in the Murmansk Region // Barents Newsletter on Occupational Health and Safety. Helsinki, 2008. Vol. 11, №. 3:84-86. 11. Яковлев С.Ю., Исакевич Н.В. и др. Информационная поддержка принятия решений по предупреждению и ликвидации последствий аварий на объектах нефтепереработки / С.Ю. Яковлев, Н.В. Исакевич, А.А. Рыженко // Прикладные проблемы управления макросистемами: труды ИСА РАН. М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2008. Т. 39. С. 417-422. 12. Яковлев С.Ю., Рыженко А.А. и др.Разработка планов по предупреждению и ликвидации разливов нефтепродуктов для территориальных объектов / С.Ю. Яковлев, А.А. Рыженко, Н.В. Исакевич // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: тр. междунар. науч. школы МАБР-2010. СПб.: ГУАП, 2010. С. 447-452.
Сведения об авторах
Яковлев Сергей Юрьевич - к.т.н., доцент, старший научный сотрудник; e-mail: [email protected] Рыженко Алексей Алексеевич - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: [email protected] Исакевич Наталья Валентиновна - старший специалист; e-mail: [email protected]
