МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАКЕТНЫХ КОМПЛЕКСОВ СТРАТЕГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ СТОХАСТИЧЕСКИХ СЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Методологический подход к оценке показателей безопасности ракетных комплексов стратегического назначения с помощью стохастических сетевых моделей возникновения и развития аварийных ситуаций

Полковник в отставке Ю.В. БОГДАНОВ, доктор технических наук

Полковник запаса C.B. УЛЬЯНОВ, доктор технических наук

АННОТАЦИЯ

Предложен методологический подход к оценке и подтверждению показателей безопасности ракетных комплексов стратегического назначения, основанный на разработке и верификации стохастических сетевых моделей возникновения и развития аварийных ситуаций, возможных на различных этапах их испытаний и эксплуатации.

ABSTRACT

The paper offers a methodological approach to estimating and confirming safety indices of strategic missile units based on devising and verifying stochastic network models of emergency appearing and developing that may occur at various stages of their testing and operation.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

KEYWORDS

Ракетные комплексы стратегического назначения, безопасность, оценка, подтверждение, стохастические сетевые модели возникновения и развития аварийных ситуаций.

Strategic missile units, safety, estimate, confirmation, stochastic network models of emergency appearance and development.

ДАННАЯ статья является продолжением ранее опубликованной в военно-теоретическом журнале «Военная Мысль» статьи в части совершенствования методического обеспечения оценки показателей безопасности ракетных комплексов стратегического назначения (РКСН, далее — комплексы) с использованием стохастических сетевых моделей возникновения и развития аварийных ситуаций1.

Актуальность темы обусловлена ем составе взрывоопасные и пожаро-высоким уровнем потенциальной опасные элементы, токсичные и ради-опасности РКСН, содержащих в сво- ационно опасные вещества. На этапах

испытаний и эксплуатации данных типов комплексов могут произойти аварийные ситуации и аварии, способные привести к значительным социальным, экономическим, экологическим и функциональным ущербам. Возможными причинами (источниками) их возникновения являются ошибки и несанкционированные действия эксплуатирующего персонала, отказы техники и внешние не-регламентированные воздействия. Безопасность РКСН обеспечивается на основе реализации комплекса конструктивно-технических решений и организационно-технических мероприятий на различных этапах жизненного цикла.

В настоящее время в тактико-технических заданиях Министерства обороны на перспективные РКСН задаются количественные требования к их безопасности, в том числе к таким показателям безопасности, как вероятности возникновения аварий2. Однако в условиях малых (единичных) объемов испытаний оценить и подтвердить достижение требуемых значений данных показателей безопасности с использованием существующих статистических методов прямой оценки не представляется возможным.

Для решения данной задачи предлагается методологический подход,

Возможными причинами

(источниками) возникновения аварийных ситуаций являются ошибки и несанкционированные действия эксплуатирующего персонала, отказы техники и внешние нерегламентированные воздействия.

основанный на разработке и верификации стохастических сетевых моделей возникновения и развития аварийных ситуаций, возможных на различных этапах испытаний и эксплуатации комплексов3.

Методологический подход предусматривает реализацию следующих основных процедур.

Первая. Разработка математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения для оценки показателей безопасности комплексов, включая:

• стохастические сетевые модели возникновения и развития аварийных ситуаций, возможных при испытаниях и эксплуатации комплексов, для всех видов особо ответственных (особо опасных) работ;

• модели и алгоритмы определения объемов и времени выполнения особо опасных работ при эксплуатации комплексов в течение года (с учетом количественного состава его потенциально опасных элементов);

• модели и алгоритмы оценки вероятностей возникновения первичных опасных событий (отказов техники, ошибочных действий эксплуатирующего персонала и внешних нерегламентированных воздействий) на различных этапах испытаний и эксплуатации комплексов;

• модели и алгоритмы для определения функций распределения уровней опасных воздействий (механических, тепловых, электромагнитных и др.) на потенциально опасные элементы комплексов в аварийных ситуациях;

• модели и алгоритмы для определения условных функций реализации различных видов аварий комплексов в аварийных ситуациях;

• модели и алгоритмы для оценки влияния конструктивно-технических решений и организационно-технических мероприятий по обеспечению безопасности на вероятности выяв-

ления предпосылок, предотвращения аварийных ситуаций и аварий на различных этапах испытаний и эксплуатации комплексов;

• модели и алгоритмы оценки показателей безопасности (вероятностей возникновения аварий) с учетом видов и объемов выполнения особо опасных работ.

Вторая. Верификация математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения, используемых при оценке показателей безопасности комплексов, в ходе выполнения расчетно-эксперименталь-ных работ и испытаний.

с 1

" . отм 1

с

Символами «С_» на рисунке 1 обозначены исходные (первичные, инициирующие) опасные события, способные привести к аварийным ситуациям и авариям с РКСН. К ним могут относиться отказы техники, ошибочные (несанкционированные) действия эксплуатирующего персонала, внешние нерегламентиро-ванные воздействия, вызванные опасными природными явлениями, техногенными авариями и катастрофами, противоправными действиями, в том числе террористическими актами и криминальной деятельностью, а также — различные возможные сочетания данных событий.

Третья. Оценка и подтверждение показателей безопасности комплексов с использованием верифицированных математических моделей и программно-алгоритмического обеспечения.

Предлагаемый методический подход основан на применении стохастических сетевых моделей возникновения и развития аварийных ситуаций, возможных на различных этапах испытаний и эксплуатации комплексов.

Типовая стохастическая сетевая модель возникновения и развития аварийных ситуаций с РКСН на одном из этапов эксплуатации схематически показана на рисунке 1.

2

Стрелками в сетевых моделях возникновения и развития аварийных ситуаций обозначаются возможные переходы между опасными событиями, к которым кроме исходных опасных событий относятся аварийные ситуации, обозначенные симво-лами«АС_», и аварии, обозначенные символами«А_».

В отличие от работы4, в стохастические сетевые модели возникновения и развития аварийных ситуаций в качестве элементов введены звенья системы обеспечения безопасности РКСН, к которым относятся реализуемые конструктивно-технические решения («КТР_») и организационно-технические мероприятия

Рис. 1. Типовая стохастическая сетевая модель возникновения и развития аварийной ситуации с РКСН

(«ОТМ_») по обеспечению безопасности, отмеченные на стрелках переходов между событиями сетевых моделей.

В тактико-технических заданиях Министерства обороны на перспективные

РКСН задаются количественные требования

к их безопасности, в том числе к таким показателям

безопасности, как вероятности возникновения аварий.

К конструктивно-техническим решениям, реализуемым при разработке РКСН, в частности, относятся:

• технические средства контроля и диагностики технического состояния потенциально опасных объектов и эксплуатационного оборудования;

• технические средства обеспечения безопасных условий эксплуатации РКСН и контроля условий эксплуатации;

• технические средства (системы) автоматического обнаружения и тушения пожаров, противопожарной защиты;

• технические средства обеспечения взрывобезопасности и электробезопасности;

• технические средства обеспечения безопасности движения;

• технические средства контроля состояния операторов;

• инженерно-технические средства физической защиты;

• технические средства блокировки и аварийной защиты;

• защитные контейнеры;

• транспортно-пусковые контейнеры для ракет;

• защитные устройства пусковых установок;

• средства защиты от несанкционированных действий и несанкционированного применения;

• индивидуальные и коллективные средства защиты;

• технические средства эвакуации персонала, населения, техники из опасной зоны;

• средства локализации и ликвидации последствий аварий и другое.

К организационно-техническим мероприятиям по обеспечению безопасности РКСН относятся мероприятия:

• по контролю и поддержанию требуемого технического состояния критичных элементов, влияющих на безопасность эксплуатации РКСН, в том числе их потенциально опасных элементов, средств эксплуатации, средств обеспечения и контроля безопасности, индивидуальных и коллективных средств защиты, эвакуации, локализации и ликвидации последствий аварий;

• по обеспечению безопасных условий эксплуатации комплексов (проведения работ на стационарных рабочих местах);

• по обеспечению безопасных условий транспортирования и безопасности движения;

• по обеспечению безошибочности действий личного состава, включая отбор, обучение, отработку навыков, организацию работ, допуск к работам, контроль состояния операторов, контроль проведения опасных работ;

• по обеспечению защиты потенциально опасных элементов РКСН от внешних нерегламентированных воздействий и актов незаконного вмешательства;

• по эвакуации персонала, населения, техники из опасной зоны;

• по локализации и ликвидации последствий аварий.

Вероятности возникновения исходных опасных событий на этапах

эксплуатации РКСН определяются с учетом надежности (интенсивности отказов) техники, продолжительности и условий выполнения особо опасных работ (технологических операций), уровней квалификации и напряженности работы персонала,

где: Х1к — интенсивность критичных отказов к-то вида, способных привести к аварийным ситуациям при выполнении 1-й технологической операции;

Т1 — время выполнения операции /-го вида.

Интенсивности отказов критичных элементов РКСН могут быть получены из проектных материалов или на основе статистической оценки по результатам испытаний и эксплуатации данных элементов и их аналогов.

Время выполнения особо опасных работ (технологических операций) и интенсивности отказов техники описываются произвольными функция-

По аналогии могут быть определены интервальные значения вероятностей ошибочных действий персонала и внешних нерегламентированных воздействий на элементы РКСН при

внешних угроз (опасностей), сезонных и пространственно-временных факторов.

Вероятности возникновения критичных отказов, способных привести к аварийным ситуациям, определяются по формуле:

(1)

ми распределения (нормальным распределением, бета-распределением, равномерным распределением и др.). Для определения этих функций распределения может использоваться статистический алгоритм, описанный в статье5.

При отсутствии статистических данных по интенсивностям отказов и продолжительности выполнения особо опасных работ для определения вероятности критичных отказов может применяться метод экспертной оценки с использованием шкалы, представленной в таблице 1 (при допущении равномерного распределения вероятности на выделенном диапазоне возможных значений).

выполнении особо опасных работ (технологических операций).

Основными показателями эффективности конструктивно-технических решений и организационно-техниче-

тех _ л ?-ЧкТ1 Т

Рш -1 е

Таблица 1

Шкала вероятностей возникновения неблагоприятных событий при выполнении особо опасных работ (технологических операций) с РКСН

Диапазон

Характеристика случайного события значений

вероятности

Событие маловероятно 10-2<Р<10"1

Событие происходит нечасто 10-3<Р<10-2

Событие происходит редко 10-4<Р<10-3

Событие происходит очень редко 10-5<Р<10-4

Событие может произойти в исключительном случае 10-6<Р<10-5

Событие практически невозможно 10-9<Р<10-6

Событие не может произойти (исключено) 0 < Р<10-9

ских мероприятий по обеспечению безопасности РКСН являются вероятности выявления и устранения предпосылок и предотвращения аварийных ситуаций и аварий при выполнении особо опасных работ.

При наличии исходных данных по характеристикам элементов (звеньев) системы обеспечения безопасности РКСН вероятности предотвращения аварийных ситуаций и аварий определяются по формуле:

ng = KTklbkJ, (2)

Т

js Раб* Ii

где: =- —коэффициент

тк

готовности (полноты контроля) к-то средства системы обеспечения безопасности;

Tpa6fc, Тк — продолжительность функционирования (работоспособности) звена и общее время его эксплуатации соответственно;

v

тах

bkj = J\(l(V)($k(V)dV — условная

Г min

вероятность предотвращения аварийной ситуации (аварии) }-го вида работоспособным средством к-го вида;

¥(У) — функция распределения уровня опасного воздействия V;

ф^(У) — зависимость вероятности предотвращения аварийной ситуации (аварии) от уровня опасного воздействия V.

Условные вероятности реализации переходов в стохастических сетевых моделях возникновения и развития аварийных ситуаций определяются по формуле:

Л,"1"'*- (?)

Вычисление функций распределения условных вероятностей переходов осуществляется численным путем с использованием статистического алгоритма, представленного в статье6.

При отсутствии исходных данных по значениям аргументов может использоваться метод экспертной оценки с использованием шкалы эффективности КТР и ОТМ по обеспечению безопасности РКСН, представленной в таблице 2.

Таблица 2

Шкала эффективности КТР и ОТМ по обеспечению безопасности

Уровень эффективности Диапазон значений вероятности

Идеальный 0,999999<Р<1,0

Практически идеальный 0,99999<Р<0,999999

Очень высокий 0,9999<Р<0,99999

Высокий 0,999<Р<0,9999

Повышенный 0,99<Р<0,999

Выше среднего 0,9<Р<0,99

Средний 0,8<Р<0,9

Ниже среднего 0,7<Р<0,8

Пониженный 0,6<Р<0,7

Низкий 0,4<Р<0,6

Очень низкий 0,3<Р<0,4

Незначительный 0,2<Р<0,3

Слабо влияет 0,1<Р<0,2

Практически не влияет 0<Р<0,1

Вероятности возникновения аварийных ситуаций и аварий на этапах испытаний и эксплуатации РКСН (при выполнении опасных работ)

где: ри$ — вероятность появления исходных опасных событий 5-ГО вида (отказов техники, ошибочных действий персонала, внешних нере-гламентированных воздействий на РКСН);

р к = 1 — г$к — условные вероятности реализации переходов в стохастической сетевой модели возникновения и развития аварийных ситуаций;

г$к — коэффициент эффективности КТР и ОТМ по обеспечению безопасности РКСН.

Вероятности возникновения аварийных ситуаций (аварий) при эксплуатации РКСН в течение года определяются с учетом планируемых объемов выполнения опасных работ по формуле:

ч

(5)

1=1

где: рА. — вероятность возникновения аварийной ситуации (аварии) }-го вида при выполнении 1-й особо опасной работы;

— количество проводимых опасных работ /-го вида при эксплуатации изделий РКСН в течение года;

определяются суммированием вероятностей реализации всех возможных путей, которые могут привести к данным опасным событиям:

(4)

Вероятности возникновения исходных опасных событий на этапах эксплуатации РКСН определяются с учетом надежности (интенсивности отказов) техники, продолжительности и условий выполнения особо опасных работ (технологических операций), уровней квалификации и напряженности работы персонала, внешних угроз (опасностей), сезонных и пространственно-временных факторов.

Ь. — количество видов опасных работ (этапов эксплуатации), в ходе выполнения которых возможна аварийная ситуация (авария) ^'-го вида.

В качестве примера на рисунке 2 представлена стохастическая сетевая модель возникновения и развития аварийных ситуаций на этапе транспортирования потенциально опасных объектов (ПОО) комплекса.

Основными показателями эффективности конструктивно-технических решений и организационно-технических мероприятий по обеспечению безопасности ракетных комплексов стратегического назначения являются вероятности выявления и устранения предпосылок и предотвращения аварийных ситуаций и аварий при выполнении особо опасных работ.

С 155

Рис. 2. Сетевая модель возникновения и развития аварийной ситуации с потенциально опасным объектом комплекса на этапе транспортирования

Исходные опасные события:

С_126 — неисправности транспортного средства (ТС);

С_127 — ошибочные действия личного состава при транспортировании ПОО;

С_128 — неблагоприятные внешние условия транспортирования ПОО;

С_129 — противоправные действия с применением обычных средств поражения (ОСП) по ТС;

С_155 — наезд другого ТС;

С_181 — грозовые разряды в зоне транспортирования ПОО;

С_182 — короткое замыкание электрооборудования ТС.

Аварийные ситуации:

АС_175 — воздействие обычных средств поражения при транспортировании потенциально опасного объекта (ПОО);

АС_176 — дорожно-транспортное происшествие (ДТП) при транспортировании ПОО;

АС_177 — удар молнии при транспортировании ПОО;

АС_210 — пожар ТС при транспортировании ПОО;

Возможные опасные исходы (аварии):

А_146 — взрыв ПОО с загрязнением местности;

А_147 — сгорание ПОО с загрязнением местности;

А_156 — повреждение ПОО при воздействии ОСП;

А_157 — повреждение ПОО при ударе молнии;

А_159 — повреждение ПОО при ДТП;

А_211 — повреждение ПОО при пожаре.

На основе данной модели получены расчетные соотношения для оценки вероятностей возникновения аварий с ПОО РКСН на этапе транспортирования, представленные в таблице 3.

Интервальные значения вероятностей возникновения аварий на этапе транспортирования определяются с использованием статистического алгоритма, описанного в статье7.

Предложенный в статье подход отличается от изложенного в статье8 введением в стохастические сетевые модели элементов (звеньев) системы обеспечения безопасности РКСН и получением новых математических соотношений для оценки показателей

Таблица 3

Расчетные соотношения для оценки вероятностей возникновения аварий на этапе транспортирования

Аварийная ситуация Формулы для расчета вероятности

Взрыв ПОО с радиоактивным загрязнением местности РА_\Л6 ~ Рс_\29Х^ ~^ОТМ27/АС_175^Х^ ~~ АсТР51/АС_175)Х ^ ~~ АсТР68/А_14б)

Сгорание ПОО срадиоактивным загрязнением местности Рк_\Л1 ~ ^С_129Х(1 ~~^ОТМ27/АС175^^ ~~^КТР51/AC I75)Х^ ~~^КТР68/А_147)

Повреждение ПОО при воздействии ОСП Р&_\56 ~ ^С_129Х(^ _^ОТМ27/АС_175)Х(^ _^КТР51 /АС_175^Х^ ~~ ^КТР68/А_15б)

Повреждение ПОО при ДТП РА159 ~ ^С_155 Х(1 ~~ ^ОТМ21/АС 17б)~^?С_128Х^ _ ^ОТМ23/АС_17б) + Рс_\П V _ ^ОТМ16/АС_176^ Рс_ 126 V _ ^ОТМ15/АС_176^ V1 _ ^КТР68/А_159^

Повреждение ПОО при пожаре ^А_211 _^С_182Х(1 _^ОТМ15/АС_2ю)Х(1 _^OTMl/A_21l) Х ~~AcTP68/A_21l)

Повреждение ПОО при ударе молнии Рк_\51 ~ ^С_181Х(1 _^ОТМ17/АС_177)Х _^КТР49/А_157)

безопасности комплексов. Это позволяет определять эффективность вводимых конструктивно-технических решений и организационно-технических мероприятий по обеспечению безопасности комплексов на этапах их создания и эксплуатации, нормировать требования к безопасности и осуществлять контроль эффективности функционирования звеньев на различных этапах жизненного цикла. Таким образом, разработан но-

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Таразевич С.Е., Богданов Ю.В., Ульянов C.B. Методические вопросы оценки и подтверждения показателей безопасности ракетных комплексов стратегического назначения за пределами гарантийных сроков эксплуатации // Военная Мысль. 2017. № 3.

2 Там же.

3 Богданов Ю.В., Ульянов C.B. Метод оценки вероятностей аварий ракетного комплекса и ущерба от них в условиях

вый методический подход к оценке показателей безопасности РКСН в условиях малых (единичных) объемов наземных и летных испытаний, основанный на разработке и верификации в ходе испытаний стохастических сетевых моделей возникновения и развития аварийных ситуаций с учетом влияния на исследуемые процессы элементов системы обеспечения безопасности комплексов.

неопределенности // Двойные технологии. 2013. № 1.

4 Таразевич С.Е., Богданов Ю.В., Ульянов C.B. Методические вопросы оценки и подтверждения показателей безопасности ракетных комплексов стратегического назначения за пределами гарантийных сроков эксплуатации // Военная Мысль. 2017. № 3.

5 Там же.

6 Там же.

7 Там же.

8 Там же.