Основные положения индексного подхода к оценке техногенного риска систем ответственного назначения Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

ГЛАВА 2. СИСТЕМНЫЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ, КАЧЕСТВА, БЕЗОПАСНОСТИ

УДК 621.396.6.07.019.3 Аноп М.Ф.

ФГБУН «Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии наук» (ИАПУ ДВО РАН), Владивосток, Россия ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИНДЕКСНОГО ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ ТЕХНОГЕННОГО РИСКА СИСТЕМ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рассматривается задача оценки техногенного риска уникальных жизненного цикла. Предложен подход к получению оценок риска для чества функционирования рассматриваемой системы

Ключевые слова:

техническая система, техногенный риск, щенность

Введение

Множество сложных технических систем и объектов, функционирующих в данный момент, являются потенциальными источниками аварий с тяжелыми последствиями. Типичными примерами подобных систем служат электроэнергетические комплексы, особенно такие, работа которых основана на атомной энергетике; плавучие нефтедобывающие платформы и нефтетранспортные сооружения, морской транспорт и др.

Среди подобных систем особое место занимают, так называемые системы ответственного назначения. Технический объект ответственного назначения это технический объект, обеспечивающий безопасное производство или выполняющий особо важные функции в обороне, экосфере или инфраструктуре мест обитания человека, отказ которого на заданном интервале эксплуатации Т недопустим. В большинстве своем это сложные системы, изготовляемые в небольшом числе экземпляров, эксплуатирующийся в различных условиях. Такие технические системы часто называют уникальными и высокоответственными [1].

Для таких систем актуальной задачей является предотвращение чрезвычайных и других нежелательных ситуаций техногенного характера, которые могут привести к нештатному режиму, аварии, катастрофе или существенно повлиять на работоспособность, живучесть, безопасность, эффективность и др. свойства таких объектов.

Основная часть

Под техногенным риском понимают промышленные, энергетические, транспортные риски, связанные с последствиями функционирования технических систем и/или их нарушениями. В соответствии с классическим представлением, под техногенным риском обычно подразумевают произведение вероятностной меры возникновения опасных техногенных явлений и размера нанесенного при этом социального, экономического, экологического и других видов ущерба.

Такое видение риска обладает определенными недостатками. Помимо отсутствия учета изменения величин во времени, при завышении показателей риска возникает существенный рост затрат на обеспечение безопасности, их занижение, наоборот, снижает уровень безопасности. Существуют ситуации, когда риски для различных объектов или процессов могут быть равны.

Наиболее часто в декларациях промышленной безопасности частота исходного события определяется методами инженерного подхода к оценке риска аварии [2, 3]. Они базируются на построении и расчете деревьев отказов, деревьев событий и деревьев последствий, в основу которых положена теория надежности систем [4, 5]. Использование данных методов предполагает наличие полной информации о частотах первичных отказов, взаимных влияниях отказов элементов и других исходных данных о системе. Метод дерева отказов требует использования сложной логики. Большие деревья отказов трудны в понимании, не совпадают с обычными схемами протекания процессов и математически неоднозначны. Деревья последствий быстро вырастают до слишком больших размеров и также становятся трудны в понимании. Деревья отказов и

технических систем ответственного назначения на всем периоде выработки мероприятий по обеспечению соответствующего ка-

оценка состояния, опасность, уязвимость, защи-

деревья последствий несут в себе элементы субъективистской логики, а степень их адекватности реальным технологическим процессам в рассматриваемой системе пропорциональна квалификации, интуиции и опыту исследователя.

Таким образом, недостатки классического представления риска в виде ограниченности статистики о редких событиях, невозможности в некоторых случаях априорно оценить вероятный ущерб, требование предотвратить чрезвычайное происшествие на техническом объекте ответственного назначения, а не оценить риск аварии заставляет искать новые подходы к оценке и прогнозированию техногенного риска.

Альтернативное представление риска через показатели опасности, уязвимости и защищенности используется в работах В.В. Москвичева, А.М. Ле-пихина, В.В. Ничепорчука для оценки рисков чрезвычайных ситуаций [6]. В данной работе этот подход предлагается применить при рассмотрении вопросов безопасности и риска технических систем ответственного назначения.

Техногенные риски Я связаны с последствиями процесса нарушения нормального процесса функционирования технических систем. Этот процесс (отказ) рассматривается в работе как рисковое событие и оценивается в показателях опасности, уязвимости и защищенности.

Опасность Н технической системе несут отказы. Как известно из теории надежности, все отказы можно разделить на внезапные и постепенные. Современные средства диагностики позволяют внезапные отказы перевести в категорию постепенных, вызванных происходящими в системе процессами старения и износа, а это, в свою очередь, повышает безопасность системы и снижает риск аварии и катастроф за счет создания избыточности времени для действий персонала в условиях возможного отказа. Количественной характеристикой опасности в этом случае служит вероятность постепенного отказа.

Процесс накопления дефектов в оборудовании и отклонений хода технологических процессов от нормального, предусмотренного техническими требованиями, может длиться минуты, сутки или даже годы. Сами по себе дефекты или отклонения еще не приводят к происшествию, но готовят почву для него. Примером такого типа отказа, послужившим источником техногенного риска, служит возникновение трещин и микротрещин в структуре конструкционных материалов и их последующее развитие под действием эксплуатационных нагрузок до момента разрушения или нарушения целостности конструкции. Другим примером подобного рода отказа является пробой изоляции кабеля вследствие постепенного коррозионного разрушения его брони.

Показатель опасности связан с текущим техническим состоянием рассматриваемой системы, поэтому задачу прогнозирования этого показателя по сути можно рассматривать как разновидность одной из классических задач технической диагностики -прогнозирование состояния системы, которая заключается в оценке ее возможного состояния на некоторый будущий момент времени. Для решения этой задачи крайне важно уметь оценивать текущее техническое состояние системы.

Любая техническая система в каждый момент времени характеризуется состоянием, описываемым

индекс,

набором параметров. Техногенные риски сложных технических систем связаны с последствиями нарушения их нормального функционирования. Состояние объекта может либо соответствовать его нормальному «штатному» функционированию, либо быть аварийной ситуацией, либо ее предвестником, требующей принятия мер по устранению возможных негативных последствий как для объекта, так и для окружающей среды. Состав элементов технически сложного объекта характеризуется значительным разнообразием, которое выражается различными по физической природе параметрами контролируемых величин, изменяющимися с разной динамикой.

Среди параметров состояния системы можно выделить:

- входные параметры и, характеризующие задающие воздействия и наблюдаемые на входах системы;

- параметры внешних условий V, характеризующие возмущающие воздействия на систему;

- внутренние параметры х, характеризующие состояние элементов;

- выходные параметры у, характеризующие различные функциональные зависимости.

Эти параметры характеризуют свойства рассматриваемой системы, интересующие конечного потребителя. Они представляют собой параметры-функционалы и параметры, являющиеся граничными значениями диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность системы [7].

Внешние параметры V характеризуют свойства внешней среды и условия эксплуатации, оказывают влияние на уязвимость V рассматриваемого объекта.

Показатель защищенности Б выполняет роль регулирующего коэффициента и оценивается исходя из критичности отказов и их последствий отдельных узлов системы и сроков устранения поломок [8].

Величину техногенного риска R предлагается получать следующим образом:

к=Н^/Б

Поскольку технические системы ответственного назначения созданы и эксплуатируются в небольшом числе экземпляров и основной задачей является предотвращение отказов, то оценка показателей техногенного риска должна учитывать индивидуальные особенности каждой конкретной системы и условий ее эксплуатации. Такой индивидуальный подход к риску возможен при условии получения текущей информации о действительном техническом состоянии каждой системы. Реализация индивидуального подхода требует непрерывного или дискретного контроля и анализа ее состояния.

Эффект от использования такой индивидуальной стратегии управления рисками определяется главным образом следующими факторами:

- возможностью в наибольшей степени использовать ресурс каждой конкретной системы, что достигается уменьшением числа преждевременных вмешательств в ее работу;

- возможностью предотвращения наступления рисковых событий, вызываемых выходом определяющих параметров системы за пределы области работоспособности, что достигается своевременным прекращением эксплуатации или проведением профилактических мероприятий.

В этих условиях перспективным при решении задачи оценки и прогнозирования рисковых событий систем ответственного назначения может стать использование идей функционально-параметрического (ФП) подхода теории надежности [9, 10].

В основе методологии функционально-параметрического подхода теории рисков лежат следующие основные принципы:

- процесс функционирования системы и ее техническое состояние в любой момент времени определяются конечным набором некоторых переменных -параметров системы;

- накопление различных воздействий на систему приводит к изменениям ее параметров и вследствие этого к возможности перехода в иное качественное состояние.

- наступление рискового события (отказа) есть следствие отклонений параметров от их исходных (номинальных, расчетных) значений, а формой проявления отказа является выход параметров за пределы области допустимых значений (области работоспособности).

Кроме того, в последнее время набирают популярность индексные методы. Для оценки состояния технических объектов ответственного назначения на многих крупных предприятиях России, в частности, РОССЕТИ, РусГидро, Янтарьэнерго используются индексы технического состояния, являющиеся безразмерными величинами, характеризующими техническое состояние единицы оборудования или ее компонента.

Индексные методы реализуют экспертный подход к оценке риска. В работе предлагается объединить эти два подхода для получения оценки техногенного риска через показатели опасности, уязвимости и защищенности с минимальными вычислительными затратами.

Общий принцип, лежащий в основе индексных методов, состоит в выделении определенного числа факторов, характеризующих состояние системы (при этом факторы могут быть весьма различными, в том числе не поддающимися прямому сравнению). Каждому фактору (атрибуту) системы по установленным правилам приписывается определенное число баллов, т. е. производится оценка состояния системы с различных точек зрения. Полученные баллы затем обрабатываются, в результате чего выводится окончательный показатель, или индекс, характеризующий общее состояние системы. Наиболее распространенными способами получения окончательного индекса являются суммирование баллов по всем атрибутам с весовыми коэффициентами. Таким образом, под индексом, как правило, понимается комплексный показатель, вычисленный как среднее взвешенное индивидуальных показателей [11].

Оценка риска с помощью индексных методов в рамках предлагаемого подхода сводится не к выявлению возможных сценариев развития опасной ситуации и определению последствий каждого сценария, а системному анализу рассматриваемой сложной системы, обработке имеющихся статистических сведений, мнений экспертов, количественному учету разнообразных факторов риска. Такое представление задачи оценки техногенного риска обусловлено тем фактом, что степень безопасности и величина риска в конечном счете зависит от качества функционирования всех структур и систем, присутствующих в обществе. Учет большого числа факторов позволяет построить более объективную картину распределения техногенного риска, выявить наиболее опасные и уязвимые участки, спланировать мероприятия по снижению рисков и уменьшению ущерба [12].

Заключение

В заключении сформулируем основные положение предложенного индексного подхода к оценке техногенного риска систем ответственного назначения:

- любая техническая система в каждый момент времени характеризуется состоянием, описываемым наборами параметров;

- наступление рискового события (отказа) есть следствие отклонений параметров от их исходных (номинальных, расчетных) значений, а формой проявления отказа является выход параметров за пределы области допустимых значений (области работоспособности);

- техногенный риск выражается в показателях опасности, уязвимости и защищенности;

- оценка техногенного риска и его показателей осуществляется индивидуально для каждого рассматриваемого объекта через соответствующие количественные характеристики, выявленные на основании проводимого системного анализа;

- техногенный риск и его показатели оцениваются по единой шкале с помощью вычисления соответствующих индексов, являющихся взвешенной суммой своих количественных характеристик;

- веса показателей находятся с помощью методов экспертного оценивания.

Предлагаемый подход к оценке техногенного риска обладает рядом преимуществ:

- учитываются характеристики, отражающие различные свойства исследуемой системы и условия в которых она функционирует;

- учитываются как статистические сведения, так и экспертные мнения;

- подход применим в условиях ограниченности и недостаточности информации об исследуемой системе;

- имеется практически неограниченный запас масштабируемости показателя техногенного риска путем добавления новых характеристик показателей риска (опасности, уязвимости, защищенности);

- все показатели риска и сам риск выражаются в единой шкале благодаря изменению способа их агрегации.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта ДВО РАН программы «Дальний Восток», проект №15-!-4-007 о (0262-2015-0063).

ЛИТЕРАТУРА

1. Похабов Ю.П., Ушаков И.А. О безаварийности функционирования уникальных высокоответственных систем // Методы менеджмента качества. 2014. — № 11. — С. 50-56.

2. Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Техногенный риск и безопасность. - Пенза: Изд-во ПГУАС, 2003. — 154 с.

3. Малкин В.С. Надежность технических систем и техногенный риск. - М.: Феникс, 2010. — 448 с.

4. Менеджмент риска. Анализ дерева неисправностей: ГОСТ Р 51901.13 - 2005; введен 2005-05-31. -М.: Стандартинформ, 2005.

5. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения: ГОСТ 27.310 - 95; введен 1997-01-01. - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - 152 с.

6. Москвичев В.В., Лепихин А.М., Ничепорчук В.В., Тридворнов А.В. Оценка и районирование риска чрезвычайных ситуаций для территорий Красноярского края // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2007. — № 5. — С. 124-133.

7. Саушев А.В. Методы управления состоянием электротехнических систем / А.В. Саушев. - СПб.: СПГУВК, 2004. - 12 6 с.

8. Аноп М.Ф. Геометрический подход к прогнозированию показателя опасности объектов ответственного назначения в условиях недостатка информации // Труды14-й международной научной школы «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах (МАБР - 2016)». - Санкт-Петербург: СПИИ РАН, 2016. — С. 70-75.

9. Абрамов О.В. Анализ и прогнозирование техногенных рисков // Информатика и системы управления. 2012. — № 3 (33). — С.97-105.

10. Абрамов О.В. Об оценке вероятности наступления рискового события: функционально-параметрический подход // Надежность и качество сложных систем. - 2016. - №1 (13). - С. 24-31.

11. Badea A. C. et al. Composite indicators for security of energy supply using ordered weighted averaging //Reliability Engineering & System Safety. - 2011. - Т. 96. - №. 6. - С. 651-662.

12. Аноп М.Ф., Катуева Я.В. Управление техногенной безопасностью региона на основе индексов опасности, уязвимости и защищенности // Информатика и системы управления. —2014. — № 3 (41). — С. 140-147.

УДК 004.896

Керимбай Н.Н., Абжаппаров Е. А., Керимбай Г.Н., Сергазы Н.Х., Ергалиев Д.С.

Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан

АВТОМАТИЗИРОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЦЕЛЕВОЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

В настоящее время в робототехнике одно из наиболее актуальных иперспективных направлений - разработка робототехнических систем (РТС), предназначенных для обслуживания космических объектов, в первую очередь (РТК) для обслуживания. В данной работе поставлено целью разработать научные основы проектирования систем управления многоцелевых РТС космического назначения, предназначенных для выполнения на борту космической станции комплекса манипуляционных задач в режимах автоматического и суперви-зорного управления со свойствами адаптивности и искусственного интеллекта. В условиях интенсификации использования космических станций для обеспечения условий выполнения широкого круга работ внутри отсеков и на внешней поверхности особую роль приобретает создание и использование РТС, оснащенных системами супервизорного управления с элементами адаптации и искусственного интеллекта. Характерными чертами таких РТС в будущем должны стать свойства автономности, мобильности, возможности осуществлять функции понимания, интерпретации и обработки информации, на высоких уровнях производить логические выводы и принимать решения

Ключевые слова:

робототехника, робот, робототехнические системы, супервизорное управление, роботизированный комплекс, манипуляторы, искусственный интеллект, манипуляционная космическая РТС, интерпретация

Введение

Робототехника как наука является комплексной дисциплиной, включающей многие области науки и техники. В рамках робототехнических проектов ставятся задачи, как на разработку аппаратной части (управляющей электроники и периферийных модулей), так и на проектирование механических компонент (шасси, исполнительные механизмы). Отдельной и во многом самостоятельной задачей является разработка программ управления, как ро-бототехнической моделью в целом, так и ее отдельными элементами. Космическим Агентством, Космическим Агентством КНР и другими мощными специализированными организациями.

В 1999—2004 годы в ЦНИИ РТК была создана манипуляционная РТС «Dores», в научно-исследовательских разработках которой и в проектировании программного обеспечения. Данная работа, материал которой является результатом научного обобщения прикладных исследований, выполненных в

процессе проектирования указанных РТС, посвящена разработке предметно-ориентированного языка для многоцелевых космических РТС на основе систематизации технических требований к подлежащим выполнению технологическим и вспомогательным операциям. Анализ, показал, что многообразие функций и операций с использованием космических РТС требует применения многоцелевых манипуляционных многостепенных систем. [1]

В соответствии со спецификой требований, которые предъявляются к космическим РТС, автором обосновано разделение транспортных и манипуля-ционных задач по двум типам:

- выполнение операций и осуществление обычно достаточно простых движений в больших объемах, на больших расстояниях и с крупногабаритными грузами при относительно невысоких точностях перемещения (такие работы, чаще всего, требуются при внекорабельной деятельности РТС, например, при транспортировании контейнеров)