CC BY
46
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 658.5
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ
В.Г.Бурлов1, В.Д. Маньков2, М.А.Полюхович3
Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого,
195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29
В статье описывается разработка модели управления процессами обеспечения безопасности эксплуатации электроустановки. Результатом является создание модели управления процессом энергоснабжения потребителей, которая является основой технологии управления процессами обеспечения безопасности эксплуатации электроустановки.
Ключевые слова: модель, электроустановка, электробезопасность, марковские процессы, граф состояний.
DEVELOPMENT OF A MODEL FOR MANAGING THE PROCESSES OF ENSURING THE SAFE OPERATION OF ELECTRIC INSTALLATION
V.G.Burlov, V.D. Mankov, M.A.Polyukhovich
Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, 195251, St. Petersburg, Politekhnicheskaya St., 29
The article describes the development of a model for managing the processes of ensuring the safe operation of electrical installations. The result is the creation of a model for managing the process of energy supply to consumers, which is the basis of the process control technology to ensure the safety of operation of an electrical installation.
Keywords: model, electric installation, electric safety, markov's processes, state graph.
Введение. В 2017 году инспекторским составом территориальных органов Ростех-надзора проведено более 116 тыс. обследований в рамках контроля организации безопасной эксплуатации и технического состояния оборудования и основных сооружений объектов электроэнергетики и теплоснабжения, выявлено более 712 тыс. нарушений. В ходе проверок отмечен низкий уровень: организации подготовки и повышения квалификации персонала; технического перевооружения и реконструкции электростанций и сетей; обновления основных производственных фондов. За отчетный период 2017 года произошло 52 несчастных случая со смертельным исходом [1].
Наибольшее количество несчастных случаев произошло в ходе выполнения работ на трансформаторных подстанциях, на воздушных линиях электропередачи, вблизи электропроводки без снятия напряжения, а также в распределительных устройствах вследствие случайного прикосновения исполнителей работ к токоведущим частям, находящимся под напряжением [2].
Основные причины несчастных случаев:
- недостаточная подготовленность персонала к выполнению приемов, обеспечивающих безопасность работ;
1Бурлов Вячеслав Георгиевич - доктор технических наук, профессор, e-mail: burlovvg@mail.ru, тел.: +7 (911) 100-41-01;
2Маньков Виктор Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент, e-mail: viktor.mankov@mail.ru.
3Полюхович Максим Алексеевич - аспирант e-mail: mpolyukhovich@gmail.com, тел.: +7 (911) 236-72-87.
-неэффективность мероприятий по подготовке и обучению персонала выполнению требований безопасности;
- неэффективность проведения мероприятий, обеспечивающих безопасность работ в энергоустановках;
- отсутствие контроля за проведением организационных и технических мероприятий по обеспечению безопасности при эксплуатации электроустановок;
- личная недисциплинированность работников.
Управление процессами обеспечения безопасности требует формировать процессы с наперёд заданными свойствами. Однако для управления обычно используются модели, основанные на базе анализа. Это требует решения прямой задачи управления. Но ее решение не позволяет удовлетворять в полной мере сформулированным требованиям. В статье представлена концепция управления, основанная на синтезе, которая обеспечивает соответствие заявленным требованиям. Новый подход основан на решении обратной задачи управления.
Постановка задачи. При построении системы обеспечения безопасности функционирования электроустановки необходимо рассматривать следующие модели функционирования двух процессов:
1. Процесс функционирования электроустановки.
2. Процесс функционирования системы обеспечения безопасности.
Возникает задача установления связи между моделями обеспечения безопасности эксплуатации электроустановки и модели принятия решений в интересах достижения цели деятельности (снабжения потребителей электроэнергией). Не имея методологической основы для решения задач управления электробезопасностью в виде условия существования процесса, нельзя гарантировать достижение цели деятельности.
Основой любой деятельности является решение человека. Человек осуществляет свою деятельность на основе модели [3]. Для обеспечения требуемого уровня безопасности эксплуатации электроустановки необходимо иметь адекватную математическую модель решения человека, так как без нее весьма сложно гарантировать достижение цели управления процессом обеспечения безопасности эксплуатации
электроустановки. Целью работы являются выбор и обоснование условия гарантированного достижения цели управления безопасностью эксплуатации электроустановки на основе синтеза математической' модели решения. Только условие существования процесса управления безопасностью позволит связать в единое целое основные элементы обеспечения электробезопасности с элементами математической' модели безопасности эксплуатации электроустановки. Получение условия существования процесса управления электробезопасностью позволяет построить конструктивную технологию. Технология управления процессом обеспечения электробезопасности - это преобразования информационных и деятельностных ресурсов ЛПР в интересах достижения цели деятельности [4].
Синтез модели управления процессами обеспечения электробезопасности. Модель функционирования электроустановки целесообразно представить в виде графа с двумя состояниями: начальное (1) и конечное (2). Среднее время выполнения целевой задачи задается как «Тэ », которое можно задать следующим образом:
Т = /„ (к, к ),
э ^ 0 4 1 ' 2 ' ' и
где к,к2,... к - параметры функционирования электроустановки.
При функционировании возможно неудовлетворительное решение задачи, описывающееся как частота срыва выполнения задачи «
^ - ». Процесс нормального функционирования электроустановки можно описать как частота удовлетворительного снабжения электроэнергией потребителей «^+ » (обратная величина среднему времени выполнения целевой задачи). Из-за неквалифицированных действий электротехнического персонала, неадекватного технического состояния оборудования возникает угроза нормального электроснабжения при работе электроустановки. В связи с чем появляется проблема: как связать процесс функционирования электроустановки с деятельностью системы обеспечения безопасности. В основу решения данной проблемы положен естественнонаучный подход, структурная схема которого представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Концепция поддержания функционирования электроустановки на основе обратной связи
Чтобы определить условия существования процесса управления безопасностью, необходимо учитывать три фактора:
- характеристики внешнего мира, выраженные в устойчивой связи таких признаков как «объективность», «целостность» и «изменчивость». Эти функции проецируются на равные по значению «объект», «предназначение» и «действия» соответственно;
- характеристики человеческого мышления, основанные на абстрактном, абстрактно-конкретном и конкретном мышлении и выраженные соответственно в методологии, методах и технологии (алгоритмах) [5];
- индивидуальный подход, при котором человек использует три основных метода решения практических задач: декомпозиция, абстрагирование и агрегирование.
В результате применения методов декомпозиции, абстрагирования и агрегирования понятие «управленческое решение» было преобразовано в агрегат - математическую модель управленческого решения следующего вида:
Р = Р(ЛЬПП,ЛЬИП,ЛЬНП, Тэ, Г), (1)
где ЛЬпп - среднее время проявления проблемы; А Ьип - среднее время идентификации проблемы; ЛЬнп - среднее время нейтрализации проблемы; Тэ - среднее время выполнения целевой задачи; - частота срыва выполнения целевой задачи; р - показатель эффективности реализации управленческих решений.
Это и есть условие существование процесса управления электробезопасностью.
Схема реализации основных элементов формирования модели принятия решений представлена на рис. 2 (а) среднее время выполнения целевой задачи - снабжение потребителей электроэнергией, б) среднее время проявления проблемы, в) среднее время идентификации проблемы, г) среднее время нейтрализации проблемы).
Рисунок 2 - Схема реализации основных элементов формирования модели принятия решений
Для синтеза модели используется закон сохранения целостности объекта (ЗСЦО), который обеспечивает достижение цели процессом обеспечения безопасности.
Закон сохранения целостности объекта (ЗСЦО) - устойчивая повторяющаяся связь свойств объекта и свойств действия при фиксированном предназначении. ЗСЦО проявляется во взаимной трансформации свойств объекта и свойств его действия при фиксированном предназначении. На рис. 3 представлена схема гносеологического значения ЗСЦО.
Электротехнический персонал при управлении процессами обеспечения электробезопасности может выполнять в различных сочетаниях две функции:
- идентифицировать (распознавать) проблему,
- нейтрализовывать (задействовать ресурсы обеспечения электробезопасности) проблему.
Рисунок 3 - Схема гносеологического значения закона сохранения целостности объекта
Принимая во внимание эти две основные ситуации в модели, необходимо выделить четыре основных состояния.
Состояние «1» - нормальное (начальное состояние) электроустановки (объект управления находится в начале рассматриваемого процесса).
Состояние «2» - установленное безопасное функционирование электроустановки, обеспечивающее требуемое энергоснабжение потребителей (объект управления выполняет свое предназначение).
В процессе управления возможны штатные ситуации, которые характеризуются отработанными схемами и нештатные ситуации, когда в процессе управления возникает проблема (такая ситуация, в которой возможности персонала не соответствуют сложившейся ситуации и приходится искать ресурсы по разрешению возникшей проблемы). В связи с этим появляется третье базовое состояние системы (процесса), которое характеризуется фактом проявления проблемы (задачи) - состояние «3».
При нахождении процесса управления в состоянии «3» электротехнический персонал должен идентифицировать возникшую проблему. Способность менеджера своевременно реагировать на потенциальную возможность возникновения проблемы определяет его профессиональную пригодность, основанную на квалифицированной подготовке кадров.
На этом этапе происходит подготовка к привлечению дополнительных ресурсов для
решения проблемы. Таким образом, во время анализа решения процесс управления переходит в состояние «4».
Состояние «4» - анализ необходимости применения конкретных ресурсов для достижения цели управления и разработка первоочередных действий.
Частота перехода системы из состояния «1» в состояние «2» «£+» эквивалентна значению, обратному среднему времени поставки определенного количества энергии потребителям, а частота «^-» характеризует среднюю частоту срыва энергоснабжения, но обычно это значение должно варьироваться в пределах 0,1%.
Переход из состояния «1» в состояние «3» характеризуется интенсивностью, равной значению: А =
ли
где ДЬПП - среднее время
проявления проблемы. Частота перехода из состояния «3» в состояние «4» равна значению:
, где ДЬИП - среднее время идентифи-
VI =
ли
кации проблемы. Частота перехода из состояния «4» в состояние «2» равна значению: ^2 = , где ЛЬНП - среднее время нейтрализации
лн
проблемы. Частота перехода из состояния «4» в состояние «1» представляет собой величину и3
- частоту невыполнения целевой задачи менеджером из-за его неспособности идентифицировать ситуацию (показатель профессиональной квалификации).
Процесс формирования решения можно рассмотреть, как цепь Маркова. В связи с тем,
что такой подход не позволяет в достаточной мере учитывать динамику процесса, в настоящей работе целесообразно использовать непрерывные цепи Маркова. Для реализации такого подхода необходимо составить систему дифференциальных уравнений Колмогорова - Чепме-на. Характеристика переходов системы представлена на рис. 4.
Рисунок 4 - Граф состояний процесса формирования управленческого решения
Для описания процесса изменения состояний на графе необходимо сделать следующие допущения и предположения.
1. Рассматривается схема формирования решения человека в форме информационно-управляющей системы. На основе решения формируется процесс обеспечения электробезопасности.
2. Промежутки времени между моментами обнаружения фактов проявления проблем являются величинами случайными.
3. Обнаруженные факты образуют поток во времени, близкий к потоку Пуассона.
4. Время обработки данных о требуемом признаке является величиной случайной.
5. Данные о признаках распределяются далее между выделенными ресурсами, решающими соответствующие целевые задачи по обеспечению электробезопасности.
6. Рассматривается случай, когда время пребывания требуемых признаков (фактов) в области действия системы (человека) весьма ограничено и соизмеримо со временем, которое необходимо для их идентификации, а также обработки данных и принятия адекватных действий по этим признакам.
7. Система подготовлена к решению задач по распознанию и нейтрализации проблем.
8. Разрабатываемая система (решение человека) предназначена для оценивания потенциальных возможностей системы обеспечения электробезопасности в зависимости от обстановки.
Введенные допущения и предположения позволяют использовать систему дифференциальных уравнений Колмогорова - Чепме-на [6,7]. Тогда составим систему ДУ Колмогорова для нашей ситуации. Она будет иметь следующий вид:
Г ¿Р 1( г)
Лг
ЛР 2 (г)
= - (С + Л) Р,(г) + С~ Р 2 (г) + о з Р4(()
= С РД г) -С' Р 2 (г) + о 2 Р 4 (г)
Л (2)
сРз(г)
Лг ЛР 4 (г)
= ХР^г) - о 1 Рз(г)
сг
= о1 Рз(г) - (о 2 + о з) РЛ(г)
Для системы (1) накладывается следующее ограничение:
+ + Р3Ю + Р4& = 1. (3)
Система (1) решается для заданных начальных условий.
1. В общем случае используем соотношения (4), где правые части - это некоторые константы, вероятности нахождения системы в соответствующих состояниях:
РЛ0) = Р1,Р2(0) = Р2,Рз(0) (4)
= Р3,Р4(0) = Р4. ()
2. Случай, когда система находится в состоянии «2», т.е. проблема, на которую надо реагировать, отсутствует, не рассматривается и не обрабатывается:
Р2(0) = 1, Р1 (0) = 0,Р3(0) = 0,Р4(0) = 0. (5)
Рассмотрев процесс как динамический, перейдем к выявлению возможностей рассмотрения этого процесса как стационарного, не нарушая общности рассуждений.
Если предположить, что мы имеем стационарный процесс, тогда наша исходная система дифференциальных уравнений трансформируется в систему линейных однородных алгебраических уравнений следующего вида: -((+ + АШЬ) + ГР2Ю + УзР4 = 0,
!+Р1(Ъ-СР2Ю+У2Р4(Ь) = 0, ЛР1(Ь)-У1Р3(Ь) = 0, (6)
У1Р3(1)-(У2 + У3)Р4(1) = 0
Это есть система линейных алгебраических уравнений относительно четырех неизвестных Р1, Р2, Р3, Р4, которые связаны между собой следующим соотношением: Р1+Р2 + Р3+Р4 = 1.
Искомые вероятности уже не зависят от времени. Решением данной линейной алгебраической системы уравнений являются следующие соотношения:
Р =
С
о + с -
•о • I
Л • С • о + Л • С • о 2 + Л • С • о + С • о • о 1 + С ' о ' о + С •о2'о1 + А- о2-о1+С • о • о
(7)
V
P =
P =
Л ■Ç' ■ v + л ■Ç- v + Л ■Ç- s- + ■ vi + Ç ■ v3 ■ vi + Ç - ■ v3 ■ vi + Ç v v + Л v ' vi + Ç~ ^2 ^ vi
Л ■Ç' ■v + Л Ç' ■ v2
ЛÇ- ■v + Л ■Ç' ■v + Л ■Ç' ■vi + Ç + ■v3 ■ vi + Ç - ■ v3 ■ vi + Ç + ■ v 2 ■ v1 + Л ■ v 2 ■ vi + Ç " ^ v2 ^ vi
Л ■Ç " ■ v1
л ■ £ ■ и3 + л ■ £ ■ и2 + л ■ £ ■ ^ + £ ■и3 ■ + £ Получив соотношения, определяющие вероятности нахождения системы в состояниях «1», «2», «3», «4», мы можем выработать требования к свойствам процесса распознания проблемы, возникшей в системе, и к свойствам процесса нейтрализации этой проблемы в системе обеспечения электробезопасности:
4
■ v + ç ■ v2 ■ ví + л ■ v2 ■ ví + ç
(8)
(9) . (10)
P = P
Ç
+ ■ v3 -v, + +
роустановки. Синтез системы управления электробезопасностью на основе системы дифференциальных уравнений позволил реализовать гарантированный подход к управлению процессами обеспечения безопасности. Модель управления, в частности граф состояний, может быть далее усложнена введением дополнительных обратных связей и учетом других условий.
Л ■ Ç ■ v + Л ■ Ç ■ v + Л ■ Ç ■vi + Ç1
■Г> )
В этом соотношении связаны три параметра. Таким образом, была установлена аналитическую зависимость обобщенных характеристик обстановки (А /яя ), информационно-аналитической деятельности (А /яя ) и нейтрализации проблемы (Агш ), возникшей при управлении электробезопасностью. Следуя работе [3], был получен системообразующий фактор создания системы управления процессами обеспечения безопасности эксплуатации электроустановки в форме соотношения (11).
Выводы. Соотношение (11) рассматривается как условие существования процесса управления электробезопасностью. Показатель уровня электробезопасности задается в виде РИШ , при этом А¡пп = / (Х15 X2, • , Хп) - характеристика обстановки. Исходя из условия обеспечения показателя электробезопасности, можно сформировать требуемый показатель процесса распознания ситуации
А * и„ = /у (У1, У 2, ••• , уя) и требуемый показатель результата деятельности по управлению электробезопасностью А= / (^, ^, „. , гп) .
Здесь вектор X характеризует процесс образования проблемы, вектор Y - процесс распознания ситуации, а вектор Z - процесс нейтрализации проблемы при управлении электробезопасностью. Распознание строится на основе квалифицированной подготовке трудовых кадров.
В целом, в работе предложены основы построения технологии управления процессами обеспечения безопасности эксплуатации элект-
+ Ç v3 vflUTepümypa Л v
1. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2017 году [электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. - М.: 2017.
- Режим доступа: http://www.gosnadzor.ru /public/annual _reports, свободный.
2. Уроки, извлеченные из аварий [электронный ресурс] // Электрон. текстовые дан. - М.: 2017.
- Режим доступа: http://www.gosnadzor.ru/industrial/oil/lessons, свобоный.
3. Анохин П.К. Системные механизмы высшей нервной деятельности. М.: Наука, 1979. 453 с.
4. Бурлов В.Г., Попов Н.Н., Гарсия Эскалона Х.А. Управление процессом применения космической геоинформационной системы в интересах обеспечения экологической безопасности региона // Ученые записки РГГМУ. 2018. № 50. С. 118-129.
5. Burlov V.G., Grobitski A.M., Grobitskaya A.M. Construction management in terms of indicator of the successfully fulfilled production task // Magazine of Civil Engineering. 2016. № 3 (63). P. 77-91.
6. Бурлов В.Г. Основы моделирования социально-экономических и политических процессов (методология, методы). СПб.: изд-во СПбГПУ, 2007. 265 с.
7. Бурлов В.Г. Математические методы моделирования в экономике. Часть 1. СПб.: изд-во СПбГПУ, 2007. 330 с.
л ■ v ■v + ç ■ v2 ■ v
p
и
2
