CC BY
7
УДК 33 NIION: 2015-0066-4/21-055
ББК 65 MOSURED: 77/27-011-2021-04-254
DOI 10.24412/2414-3995-2021-4-278-282 © Поплавский А.Ю., Мурашев П.М., Тоичкин Н.А., Богатиков В.Н., 2021
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНОСТЕЙ
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 информационные системы, доктор технических наук
Тверской государственный технический университет (170026, Тверь, наб. Аф. Никитина, д. 22)
E-mail: vnbgtk@mail.ru
Аннотация. Рассматривается проблема управления технологической безопасностью промышленных процессов и предлагается модель диагностики состояний на основе бинарных отношений как основа системы поддержки принятия решений.
Ключевые слова: технологическая безопасность, технологические процессы, диагностика состояний, бинарные отношения, принятие решений
BUILDING A MODEL FOR MANAGING THE TECHNOLOGICAL SAFETY OF INDUSTRIAL PROCESSES BASED ON THE HAZARDS DEVELOPMENT DYNAMICS
Alexey Yu. Poplavskiy,
Postgraduate student of the Department of Information Systems Tver State Technical University (170026, Tver, nab. Af. Nikitin, d. 22);
Pavel M. Murashev, Postgraduate student of the Department of Information Systems Tver State Technical University (170026, Tver, nab. Af. Nikitin, d. 22);
Nikolay A. Toichkin,
Associate Professor of the Department of Informatics and Computer Engineering,
Candidate of Technical Sciences Murmansk Arctic State University (183038, Murmansk, ul. Kapitan Egorova, d. 15);
Valeriy N. Bogatikov, Professor of the Department of Information Systems, Doctor of Technical Sciences Tver State Technical University (170026, Tver, nab. Af. Nikitin, d. 22)
Abstract. The problem of the industrial processes technological safety managing is considered and a model for diagnosting states based on binary relations is proposed, as the basis of a decision support system.
Keywords: technological safety, technological processes, diagnostics of conditions, binary relations, decision making
Для цитирования: Поплавский А.Ю., Мурашев П.М., Тоичкин Н.А., Богатиков В.Н. Построение модели управления технологической безопасностью промышленных процессов на основе динамики развития опасностей. Вестник экономической безопасности. 2021;(4):278-82.
В последние годы в различных сферах жизни ные цифровые технологии. Широкое применение и производства широко применяются современ- цифровых технологий можно оценивать, как эво-
люционное развитие в сфере организации промышленных систем. Изменения, которые происходят в производственных системах, называют «Индустрия 4.0» или - «Четвертая индустриальная революция». Ключевым фактором обеспечения работы промышленных систем является безопасность промышленных технологий. Глубокое проникновение информационных систем в процессы управления технологиями особенно актуализирует обеспечение информационной безопасности промышленных предприятий. Вопросы ранней диагностики состояний промышленных систем предполагает поиск новых направлений диагностики, предполагающих учет нарушений на самых разных стадиях, а также предотвращение уже имеющихся и развивающихся нарушений. К наиболее актуальным и перспективным следует отнести использование современных предикативных компьютерных технологий. Актуальность использования методов предикативной диагностики стимулируется развитием информационных систем, что порождает реализацию новые возможности методов диагностирования. В работе рассматривается подход в основе которого лежит качественная модель развития опасностей на основе бинарных отношений.
Исследование промышленных процессов позволяет построить модели технологической безопасности на основе бинарных отношений.
В работе под технологической безопасностью понимается свойство ХТС выполнять свои функции без нанесения ущерба: окружающей среде, технологи процесса. Концептуальная модель «технологическая безопасность» определяется следующими множествами [1]:
Тб = {О, и, А, ^ В (О, и)}
О - множество опасностей; и - множество мероприятий, нейтрализующих опасности; А - семейство алгебраических операций; R - отношение, построенное на декартовом произведении Охи; В(О, и) - индекс безопасности, который является отображением соответствия R на интервал [0,1].
Определим на множестве опасностей О, бинарное отношение Rl «порождение опасности». Это отношение будет выполняться для тех пар опасностей, в которых одна опасность является причиной возникновения другой [2]. Таким образом, два элемента Оъ Оje О находятся в отношении R1, пишут
ОД^, если опасность Оi порождает (инициирует) опасность Оj.
Используя экспертные знания, относительно заданного технологического процесса, о том, как одни опасности инициируют другие, можно рассмотрев декартово произведение ОХО, можно построить матрицу бинарных отношений «порождение опасности».
Таблица 1
Пример матрицы бинарных отношений
О1 О2 О3 О4 О5 ОП
О1 * *
О2 * *
О3 * * *
О4
О5 * *
О п
Построенная матрица бинарных отношений позволяет определить цепочку развития опасностей. Сначала определяются те опасности, которые не порождаются никакими другими, они будут являться первичными опасностями.
Выделим далее опасности, которые инициируются первичными опасностями и т.д. В завершении такой цепочки развития опасностей, получим узел, который является листовым. Этот узел рассматривается как внештатная ситуация или авария, своевременная нейтрализация которой является целью управления технологической безопасностью.
Следующий шаг - построение графа развития опасностей, который в наглядной форме представляет выявленную динамику опасностей (рис. 1).
В случае, если отношение R1 является антирефлексивным, асимметричным, ацикличным и отрицательно транзитивным, а также имеет единый корень, и не имеют место отношения, где одна причина порождает два следствия, то полученный граф будет являться деревом.
Полученный граф дает возможность определить пути поиска первопричины возникновения аварийной ситуации и выделить возможные точки контроля в цепочке опасностей, возникающих в работе технологического процесса. Выбранные точки будут подвергаться управляющим воздействиям со стороны системы управления с целью нейтрализа-
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 1. Граф развития опасностей
ции обнаруженных опасностей. На множестве опасностей и мероприятий, нейтрализующих эти опасности, можно рассмотреть бинарное отношение R2 «связаны», которое показывает, что мероприятие нейтрализует данную опасность.
Поиск путей и циклов в графе
Для определения всех путей в графе построим матрицу транзитивного замыкания М^, то есть матрицу, в которой в 1-й строке и j-м столбце находится 1, если от вершины i можно добраться до вершины j [2].
В результате мы получим матрицу М^, которая содержит всевозможные пути в графе (рис. 2).
Здесь одна матрица путей тк содержит сведения о наличии всех путей одной длины к в графе. Единичное значение в позиции (1 j) означает наличие пути длины к из вершины i в вершину j.
Наличие циклов в графе можно определить, с помощью алгоритма поиска в глубину, который осуществляет поиск путем занесения текущей вершину в стек и прохода по всем соседям данной вершины. Запустив поиск в глубину для каждой вершины графа, алгоритм при входе в каждую вершину будет красить ее в серый цвет, а при выходе - в черный. Если алгоритм пытается зайти в серую вершину, то это означает, наличие цикла. Для восстановления цикла достаточно при запуске поиска в глуби-
ну из очередной вершины добавлять ее в стек: если цикл найден, то вынимая последовательно вершины из стека можно восстановить путь, приводящий к циклу.
Индекс безопасности
Функционирование технологического процесса (ТП) можно рассматривать как последовательность смены технологических состояний на некотором интервале времени Состояние ТП в каждый
момент времени ^ характеризуется набором
параметров: Y = {Т1, К и1}.
Где:
• {Т1, 1=1.1} - технологические параметры состояния ТП;
• {К |=1.. Л} - параметры состояния оборудования ТП;
• {и1, 1=1..Х} - параметры состояния систем управления ТП.
На ТП наложены ограничения штатного функционирования р(Т, К, и) < 0 , зависящие от множеств параметров {Т1, К|, и1}. Выход за ограничения означает переход ТП во внештатную ситуацию, т.е. ограничения разделяют пространство состояний, на два множества: опасных и безопасных состояний. В множестве безопасных состояний определим область - центр безопасности, в которой функционирование ТП является наиболее безопасным.
Рис. 2. Построение графа возможных путей Определение центра технологической безопас- определит уровень безопасности для данного со-ности позволяет определять смещение области стояния ТП (рис. 3). Назовем эту количественную текущего состояния ТП от центра безопасности характеристику - индекс безопасности.
[3; 4, с. 10].
В процессе изменения значений параметров ТП происходит смена состояний, вследствие чего возможен выход из области центра безопасности. Количественная характеристика, характеризующая удаленность области текущего состояния ТП s* от области, характеризующей центр безопасности so,
Для расчета индекса безопасности предлагается использовать метод основанный на оценке нечеткого равенства между текущим состоянием процесса и состоянием центра безопасности. Схема управления безопасностью Цель управление безопасностью строится на максимизации индекса безопасности:
Рис. 3. Качественная интерпретация понятия индекс безопасности - Вестник экономической безопасности -
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 4. Схема управления безопасностью
тах ¡л [Э(и, х,
иеи хеХ
где: и - множество мероприятий (управлений); X - множество переменных состояния; W - множество случайных воздействий.
Основными этапами в управлении технологической безопасностью являются (рис. 4).
• Контроль состояний - основная его цель состоит в расчете индекса безопасности.
• Диагностика - если индекс безопасности для текущего процесса в норме, то процесс продолжает функционировать без каких-либо изменений, если индекс безопасности показывает, что возможно развитие внештатной ситуации, то необходимо проводить диагностику состояний процесса, с целью определения первичных неисправностей.
• Управление - выбор управляющих воздействий, которые наилучшим образом нейтрализуют данную внештатную ситуацию.
Заключение
В работе проанализирован новый подход к управлению технологической безопасностью на основе создания графа развития опасностей, который позволяет подойти к вопросу диагностики состояний технологического процесса с формальных позиций. Также предлагается подход количественной оценки технологической безопасности на основе расчета индекса безопасности [5; 6].
Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 20-0700914 А).
Acknowledgments. The work was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research (grant no. 20-07-00914 A).
Литература
1. Вент Д.П., Ерофеев В.И. и др. Управление технологической безопасностью промышленных процессов на основе нечетко-определенных моделей / ФГБОУ ВО РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт (филиал). Новомосковск, 2019. 209 с.
2. Алескеров Ф.Т., Шварц Д.А., Хабина Э.Л. Бинарные отношения, графы и коллективные решения / Издательство: Физматлит, Серия: Анализ и поддержка решений, 2017. 344 с.
3. Zadeh L.A. Fuzzy logic - A personal perspective. Fuzzy Sets Syst. 2015, 281, 4-20.
4. Богатиков В.Н., Тоичкин Н.А. Технология построения систем технической диагностики состояний. Информационные ресурсы России. 2006. № 1 (89). С. 10.
5. Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии: метод нечетких множеств: монография / В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов, Е.П. Марков; под общ. ред. Н.М. Жаворонкова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство Юрайт, 2018. 360 с.
6. Abhulimen K.E. 2009. Model for Risk and Reliability Analysis of Complex Production Systems: Application to FPSO/Flow-Riser System. Computers and Chemical Engineering, Vol. 33, pp. 13061321.
