CC BY
14
УДК 33 NIION: 2003-0059-5/21 -057
ББК 65 MOSURED: 77/27-003-2021 -05-256
DOI 10.24412/2073-0454-2021-5-279-284 © Поплавский А.Ю., Мурашев П.М., Тоичкин Н.А., Богатиков В.Н., 2021
МОДЕЛЬ СИТУАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ НА ПРИМЕРЕ МНОГОКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ХЛОРА И КАУСТИКА
Алексей Юрьевич Поплавский, аспирант кафедры информационных систем
Тверской государственный технический университет (170026, Тверь, наб. Аф. Никитина, д. 22)
E-mail: 3otdel.tverussi@mail.ru
Павел Михайлович Мурашев, аспирант кафедры информационных систем
Тверской государственный технический университет (170026, Тверь, наб. Аф. Никитина, д. 22)
E-mail: myptver@gmail.com
Николай Александрович Тоичкин, доцент кафедры информатики и вычислительной техники, кандидат технических наук
Мурманский арктический государственный университет (183038, Мурманск, ул. Капитана Егорова, д. 15) E-mail: toichkin@list.ru
Валерий Николаевич Богатиков, профессор кафедры информационных систем, доктор технических наук Тверской государственный технический университет (170026, Тверь, наб. Аф. Никитина, д. 22) E-mail: vnbgtk@mail.ru
Аннотация. Рассматривается обобщенная постановка задачи ситуационного управления технологической безопасностью промышленных процессов на примере информационной модели состояний многокорпусной выпарной установки производства хлора и каустика.
Ключевые слова: технологическая безопасность, ситуационное управление, диагностика состояний, информационная модель, индекс безопасности, рекуррентные отношения.
MODEL OF TECHNOLOGICAL SAFETY SITUATIONAL MANAGEMENT UNDER CONDITIONS UNCERTAINTIES ON THE EXAMPLE OF A MULTIPLE EVAPORATOR FOR THE PRODUCTION OF CHLORINE AND CAUSTIC
Alexey Yu. Poplavsky, Postgraduate Student of the Department of Information Systems Tver State Technical University (170026, Tver', nab. Af. Nikitina, d. 22) E-mail: 3otdel.tverussi@mail.ru
Pavel M. Murashev, Postgraduate Student of the Department of Information Systems Tver State Technical University (170026, Tver', nab. Af. Nikitina, d. 22) E-mail: myptver@gmail.com
Nikolay A. Toichkin, Associate Professor of the Department of Computer Science and Computer Engineering, Candidate of Technical Sciences
Murmansk Arctic State University (183038, Murmansk, ul. Kapitana Egorova, d. 15) E-mail: toichkin@list.ru
Valery N. Bogatikov, Professor of the Department of Information Systems, Doctor of Technical Sciences Tver State Technical University (170026, Tver', nab. Af. Nikitina, d. 22) E-mail: vnbgtk@mail.ru
Abstract. A generalized formulation of the problem of situational control of technological safety of industrial processes is considered, using the example of an information model of the states of a multi-body evaporation plant for the production of chlorine and caustic. Keywords: technological safety, situational management, diagnostics of states, information model, safety index, recurrent relations.
Для цитирования: Поплавский А.Ю., Мурашев П.М., Тоичкин Н.А., Богатиков В.Н. Модель ситуационного управления технологической безопасностью в условиях неопределенности на примере многокорпусной выпарной установки производства хлора и каустика. Вестник Московского университета МВД России. 2021 ;(5) :279—284.
Целью данной работы является построение модели безопасности технологического процесса на базе Марковской модели. Такая модель позволяет оценить состояние технологического процесса с точ-
ки зрения безопасности и соответствующим образом поддерживать ее.
Современные системы безопасности химических производств являются сложными иерархическими че-
ловеко-машинными системами, которые состоят из информационной подсистемы диагностики состояний и оценки риска химико-технологических процессов (ХТП) и систем (ХТС), и организационно-технологической подсистемы управления технологической безопасностью с лицом, принимающим решение.
Иерархичность систем управления технологической безопасностью химических производств является следствием сложности выполнения диагностических процедур, которые заключаются в проведении анализа состояний технологического процесса, оборудования и систем управления в случае возникновения внештатных ситуаций.
Формальное описание технологической безопасности
Наиболее общее формальное описание технологической безопасности можно задать в следующем виде: объект «технологическая безопасность» Тб, определяется кортежем [1]:
Тб = <О, и, А, R, В(О,и)>, (1)
где: О — множество опасностей; М — множество мероприятий, нейтрализующих опасности (управлений); А — семейство алгебраических операций; В(О, и) — множество оценок уровня безопасности, которое является отображением соответствия R(О, и) (отношения), построенного на декартовом произведении О х и, на нормированное по некоторому правилу множество реальных чисел (например, это может быть интервалом [0,1]), либо на булевское множество ^аке, ^е>. В последние годы развивается подход, основанный на интервальных оценках неопределенности.
Таким образом, можно записать, что существует отображение f:R(О,U) ® В или в = ^х, и), где хеО, иеи, веВ.
Организационно-технологические мероприятия должны обеспечить наиболее рациональную временную траекторию работы системы управления технологической безопасностью ХП. Организационно-технологическими мероприятиями могут быть, например, графики работы ремонтных бригад, осуществляющих текущее и профилактическое обслуживание оборудования.
К организационно-технологическим мероприятиям можно отнести организационно-технологические мероприятия (их можно назвать также системными), связанные с изменением целей (например, вы-
полнение срочных заказов), критериев (например, директивный срок выпуска) и, возможно, стратегии функционирования ХП, которые оказывают влияние и на систему управления технологической безопасностью.
Обобщенная постановка задачи управления
Ситуационное управление является наиболее удобным средством, позволяющим вести контроль, анализ и выдачу рекомендаций по управлению технологическим процессом в условиях неопределенности управления, наличия случайных возмущающих воздействий [3], чем и характеризуется система многокорпусных выпарных установок (МВУ) производства хлора и каустика.
Состояние процесса в ьй момент времени характеризуется:
♦ вектором контролируемых параметров: К = = К{к^ ... , кн},
♦ вектором инженерно-экономических показаний работы: Т = Т{Л, Й, ... , К},
♦ вектором управляющих воздействий: Фi = = Ф{фЧ ... , ф"\}.
Выше перечислены параметры, лежащие в основе оценки состояния технологического процесса.
События, происходящие в системе, и текущие состояния системы формируют вектор ситуаций в системе © = {01,..., 0п}, © = ©{0^, ... , 0^}.
Необходимо управлять процессом таким образом, чтобы привести его в состояние L = L{ll, 12, ... , 1п}, описываемое вектором-ситуацией © = ©{01, 02, ... , 0п}.
При ограничениях на вектор управлений Фj с Ф° и вектор инженерно-экономических показаний Т с Т°, где Т° и Ф° — области допустимых значений инженерно-экономических показаний и управляющих воздействий, соответственно.
Задачу ситуационного управления четырех корпусных выпарных установок производства хлора и каустика можно поставить стандартно, учитывая приведенные векторы.
Найти такое разбиение множества © = © {©1, ©2, ... ,©е, ... ,©к}; к = №1, на классы, соответствующие элементам множества управлений Ф = Ф{Ф1, Ф2, ... , Фэ, ... , Фг}; г = Мт, где №, М — число интервалов дискретизации значений параметров и управляющих воздействий), чтобы решение Ф0, принимаемое в ьй момент времени в ситуации переводило процесс в состояние, описываемое ситуацией ©|+8,
лежащее в более близкой окрестности 0°, чем 01. Т.е. предполагая существование управлений связи общего вида: 0|+8, i + т = Ф81).
Требуется найти Ф0+а, i + 1 = F(01i, Ф81), такое, чтобы 0|+8 е 0\ а (01 п 0Л) = 0, при 01 е 0, 0 е 0° и 0Л с 0.
Характеристика задачи управления процессом выпарки как задачи динамического управления
Технологическая система рассматривается как динамический объект при функционировании которого постоянно происходит изменение условий его работы. Поэтому в качестве модели управления была принята динамическая модель принятия решений, которая реализуется на основе метода динамического программирования.
Безопасность процесса вышарки
Модель принятия решений технологической безопасности в наиболее общем виде можно представить в виде черного ящика (рис. 1).
Рис. 1. Модель принятия решений технологической безопасности
Где Ф1 = Ф{ф1\ Ф21, ... , фп1} — множество решений, которые может принять орган управления;
01 = 0{011, 021, ..., бп1} — множество возможных состояний среды на 1-м этапе; F = {Щ — матрица значений оценочного функционала F для всех возможных состояний; А1 = {а11, . . . , а^} множество возможных состояний объекта, в одно из которых он может переходить из любого состояния на предыдущем этапе.
В обобщенной постановке задачи управления ВУ можно выделить вектор контролируемых параметров, который включает в себя следующие параметры — давление пара, концентрацию пара в установке, температуру, расход пара и воды, передачу конденсата на ТЭЦ, мутность, расход готовой продукции.
К технико-экономическим показателям относится: расход греющего пара в материальном и стоимостном выражении, выход готового продукта, себестоимость. Выделим множество возможных состояний системы — остановка системы для промывки аппаратов, состояние ремонта, сбои по системам управления.
Множество возможных решений включает: изменение давления греющего пара, перераспределение пара для 2-го и 3-го аппаратов, остановку на ремонт, регулирование концентрационного режима на выходе 3-го и 4-го аппарата, распределение нагрузок между выпарными линиями, остановку на промывку 2-4-х аппаратов. Множество возможных состояний среды — температура внутри аппарата, концентрация пара внутри аппарата.
Рассмотрим более подробно процесс нахождения оптимальной стратегии управления технологической безопасностью.
Информационная модель
Начальным этапом анализа сложной системы является построение информационной модели объекта исследования. Естественно, данному этапу предшествует подробное описание объекта, основная задача которого состоит в выделении информационных подсистем или информационных модулей объекта, т.е. в построении его информационной структуры.
На этом этапе центральным звеном является абстрагирование концептуальных сущностей в задаче, в терминах объектов и атрибутов. Фактически строится система информационных блоков (подсистем) всей исследуемой системы, в которой как для отдельных составляющих, так и для всей системы в целом показываются входы-выходы.
Сами по себе информационные подсистемы не представляют никакого интереса; только в процессе взаимодействия информационных подсистем между собой реализуется цель системы. В этом проявляется значение связи как производной отношений между информационными подсистемами. Следует сказать, что связь отношений между подсистемами может переходить из любого состояния на предыдущем этапе.
В результате анализа построена диаграмма связей информационной структуры выпарной установки (рис. 2).
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 2. Диаграмма связей информационной структуры выпарной установки
Модель состояний
Любой объект, кроме информационной структуры обладает состоянием, поведением и индивидуальностью. Объекты не существуют изолированно, а подвергаются воздействию или сами воздействуют на другие объекты. Поведение характеризует то, как объект воздействует или подвергается воздействию других объектов с точки зрения изменения состояния этих объектов и передачи сообщений.
Под индивидуальностью понимаются такие свойства объекта, которые отличают его от всех других объектов.
Следующий этап — построение модели состояний (рис. 3) как для подсистем, так и для всей системы в целом.
Можно дать следующее определение состояния: положение объекта, в котором применяется опреде-
Рис. 3. Модель состояний
ленный набор правил, линий поведения, предписаний и физических законов.
Состояние объекта характеризуется перечнем всех возможных свойств данного объекта текущими значениями каждого из этих свойств. Перечень свойств объекта является, как правило, статическим, поскольку эти свойства составляют неизменяемую основу природы объекта.
Отдельные модели состояний формируют для каждого объекта и связи, которые имеют динамическое поведение.
Для того чтобы достигнуть согласованного поведения различных объектов, модели состояний взаимодействуют между собой посредством событий.
Под событием понимается сигнал, возникающий в объекте, который сообщает об изменении происшедшем в его текущем состоянии и, как следствие, возникновения необходимости перехода в новое состояние.
События следует рассматривать как сигнал управления, на основе которого формируются система связей между объектами исследуемой системы, являющихся следствием некоторых отношений между подсистемами.
Формирование модели состояний связи осуществляется в несколько шагов. На первом шаге осуществляется построение информационной модели связи. Связь формализуется как ассоциативный объект.
Любые атрибуты, необходимые для того, чтобы обеспечить требуемую стратегию выбора, должны быть приведены в соответствующих объектах.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ
На следующем шаге, в соответствии с моделью состояний объектов, участвующих в связи, строится первый проект модели состояний связи. Цель этой версии состоит в том, чтобы разобраться в логике взаимодействующих событий.
Далее проводится анализ первой модели состояний связи для того, чтобы увидеть, удачен он или нет. Чтобы сделать модель состояний объектов не противоречащими модели состояний связи, обычно требуются незначительные корректировки. Основное назначение связи — передача данных, которые используются для действия при достижении объектом определенного состояния.
Зная величину — интенсивность перехода из одного состояния в другое, можно найти вероятность Р(:) нахождения системы в одном из возможных состояний (исправном, работоспособном, неработоспособном и аварийном). Величина Р(1) находится по следующей формуле: Р() = ехр(— 101()&).
В итоге получаем модель состояний, в которой все состояния системы разделены на четыре группы: исправное, работоспособное, неработоспособное и аварийное состояния. Для каждого состояния определены — интенсивность перехода из одного состояния в другое. Далее построена модель выпарной установки на основе дифференциальных уравнений Колмогорова.
Рекуррентные соотношения для Марковских процессов
Предполагается, что процессы в технологических системах носят стационарный и эргодический характер своего развития. В виду этого можно применить модель отказов на базе цепи Маркова.
Марковская цепь задается в виде матрицы вероятностей переходов Р порядка LxL. Для того что бы марковская цепь была управляемой, необходима возможность изменять вероятности переходов Р. Предположим, имеется возможность ввести Марковский процесс N различными способами, причем к-му способу соответствует матрица вероятностей переходов Рк = [р.]к] к = 1," Каждый способ ведения Марковского процесса будем называть стратегией.
Будем далее считать, что мы имеем возможность оценить способ осуществления процесса путем задания матрицы потерь или, что в данном случае удобнее, матрицы доходов Rk = [п]к]. Величины П]к, у, j = 1^, к = 1," выражают доход за один шаг при переходе процесса из состояния i в состояние j в случае использования к-й стратегии.
Поставим задачу найти метод выбора стратегии, обеспечивающей получение максимального дохода за п шагов управляемого Марковского процесса.
Обозначим через £(п) максимальный доход за п шагов, начавшихся из состояния у. Предположим, что из состояния i сделан один шаг в состояние j с доходом П]к, а остальные п-1 переходов сделаны оптимальным образом. Полный доход за п шагов при этом будет П](к) + С(п-1).
Однако, в действительности первый переход вида (у) совершается с вероятностью ру](к). Поскольку первый переход случаен, то следует учесть возможность перехода во всевозможные состояния j. Поэтому ожидаемый доход:
Е(п,к) = 1 ^ [г (k+f (п - 1] = ^ + Х" 1 рк f (п - 1),
N
где: q(к) = 2 рм г(к) доход за один шаг из состояния у при стратегии к.
В выражение входит стратегия к, применяемая на начальном шаге, соответствующим выбором которой мы можем обеспечить максимальный ожидаемый доход А(п), что приводит нас к рекуррентному
соотношению для выбора стратегии k на первом шаге n-шагового процесса:
F(n,k) = max[g ( +S 1 pjf (n - 1)
Матрица доходов (либо потерь) определяется согласно индексу безопасности системы. Сделав переход от вероятностей возникновения состояний к их интен-сивностям, мы получим полумарковскую управляемую модель процесса с непрерывным временем.
Программная реализация
Программные реализации приведенных систем обычно строятся на основе трехуровневой архитектуры приложений (three-tired architecture), в которых предполагается наличие следующих составляющих компонент:
♦ сервера базы данных на первом уровне, в качестве которого можно использовать любую СУБД с достаточно широкими функциональными возможностями, например, InterBase, Oracle, MS SQL Server, MySQL;
♦ сервера приложений на втором уровне, который содержит средства поддержки бизнес-правил и манипулирования данными, реализованными в средах разработки программных приложений, например: Visual Studio, Code::Blocks, PyCharm, IntelliJ IDEA на языках программирования С++, С#, Phyton или Java;
♦ клиентского приложения с ограниченными ресурсами на третьем компьютере, выполняющего функции, связанные с представлением данных конечному пользователю, это может быть: десктопный интерфейс, созданный в одной из сред разработки приведенных выше, либо web и/или мобильный интерфейс, разработанный в одном из существующих Java или JavaScript-фреймворков, например: React, Angular.js, Vue.js, Android Studio.
Одним из аспектов процесса разработки подобных систем должно быть тщательное проектирование архитектуры, которое выявляет узкие места в производительности и безопасности всей системы. Архитектура должна быть достаточна унифицирована, чтобы обеспечить принцип масштабируемости, но с учетом ограничений по производительности и безопасности хранимых данных.
Система подобного класса часто обращается к дисковым массивам данных, в частности для сравнения текущих ситуаций с эталонными, информация о которых хранится в БД; таким образом, для ускорения ее работы необходимо применять интеллектуальные системы хранения данных (СХД), представляющие
собой полнофункциональные RAID-массивы, обеспечивающие оптимизированные возможности обработки ввода/вывода. Такие СХД конфигурируются большими объемами высокоскоростной кэш памяти, и используют сложные алгоритмы обработки вводов/выводов. Требуется также предусмотреть механизмы резервного копирования и восстановления данных, для чего разрабатывается определенная стратегия осуществления соответствующих операций и подготовка пула необходимых носителей [4].
Выбор используемых технологий и средств при разработке распределенного приложения для управления безопасностью технологических процессов, опирается на техническое задание, выданное заказчиком, а также возможностью/необходимостью использования платных коммерческих и/или бесплатных средств и сред разработки приложений.
Литература
1. Вент Д.П., Ерофеев В.И. и др. Управление технологической безопасностью промышленных процессов на основе нечетко-определенных моделей. Новомосковск, 2019.
2. Химмельблау Д. Обнаружение и диагностика неполадок в химических и нефтехимических процессах. Л.: Химия, 1983.
3. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Марков Е.П. Системный анализ процессов химической технологии: метод нечетких множеств: Моногр. / Под ред. Н.М. Жаворонкова. 2-е изд., перераб. и доп. М, 2018.
4. Шривастава А., Гнанасундарам С. От хранения данных к управлению информацией. СПб., 2016.
References
1. Vent D.P., Erofeyev V.I. i dr. Upravleniye tekh-nologicheskoy bezopasnost'yu promyshlennykh pro-tsessov na osnove nechetko-opredelennykh modeley. Novomoskovsk, 2019.
2. Khimmel'blau D. Obnaruzheniye i diagnostika nepoladok v khimicheskikh i neftekhimicheskikh pro-tsessakh. L.: Khimiya, 1983.
3. Kafarov V.V., DorokhovI.N., MarkovE.P. Sistem-nyy analiz protsessov khimicheskoy tekhnologii: metod ne-chetkikh mnozhestv: Monogr. / Pod red. N.M. Zhavo-ronkova. 2-e izd., pererab. i dop. M., 2018.
4. Shrivastava A., Gnanasundaram S. Ot khrane-niya dannykh k upravleniyu informatsiyey. SPb., 2016.
