НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем математичних машин і систем

Серебровський Олександр Миколайович

УДК 504.56

МЕТОДИКА ПОБУДОВИ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЮ ТА АНАЛІЗУ СИТУАЦІЙ НА ПОТЕНЦІЙНО НЕБЕЗПЕЧНИХ ОБ'ЄКТАХ

05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні

інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті проблем математичних машин і систем НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук

Клименко Віталій Петрович,

Інститут проблем математичних машин і систем НАН України,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Стрельніков Валерій Павлович,

Інститут проблем математичних машин і систем НАН України,

завідувач відділу

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Ігнатенко Петро Петрович,

Інститут програмних систем НАН України,

завідувач відділу

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, м. Київ,

кафедра “Прикладна математика”

Захист відбудеться “25” січня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.204.01 в Інституті проблем математичних машин і систем НАН України за адресою: 03187, м. Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 42, ауд. 410.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем математичних машин і систем НАН України за адресою: 03187, м. Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 42.

Автореферат розісланий “21” грудня 2005 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Ходак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Безпека потенційно небезпечних об'єктів (ПНО) є одним із напрямків державної політики України. Відповідно до Закону України про об'єкти підвищеної небезпеки №2245-III від 18.01.2001 р. і згідно з постановою Кабінету Міністрів №122 від 7.02.2001р. передбачений ряд заходів щодо запобігання надзвичайних подій (НП), у тому числі: створення служби прогнозування НП і прогнозно-моделюючих систем виникнення та розвитку НП техногенного і природного характеру; проведення фундаментальних і прикладних наукових досліджень з метою оцінки ризику і прогнозування виникнення НП.

Одним із ефективних засобів підвищення безпеки ПНО є застосування комп'ютерних технологій для відстеження поточних ситуацій на таких об’єктах і їхній аналіз для того, щоб вчасно вжити заходів до запобігання аварій або підготувати рятувальні заходи. Необхідною передумовою для цього є розробка методології побудови автоматизованих систем контролю й аналізу ситуацій для запобігання зародженню та розвитку небезпеки на ПНО.

Особливістю значної частини автоматизованих систем, що використовуються у сфері зниження техногенної небезпеки, є орієнтація на моделювання надзвичайних ситуацій (НС) з метою оцінки можливої зони ураження і розмірів очікуваних втрат для подальшої оптимізації дій по локалізації НС і ліквідації наслідків аварії. Особливе місце займають системи безпеки атомних електростанцій, які використовують розвинуту методику імовірнісного аналізу безпеки (ІАБ). ІАБ надає можливість оцінювати безпеку проектованих і реально функціонуючих об'єктів за критерієм імовірності виникнення можливих аварій і НП. Однак розрахунки традиційного („класичного”) ІАБ виходять із того, що імовірності базисних подій (БП) вважаються за відомі, одержані на підставі статистичних даних. Класичний ІАБ не призначений для оперативних оцінок та аналізу небезпеки. Оцінка стану атомних електростанцій при застосуванні ІАБ виконується не частіше ніж один раз на 5-10 років. У зв’язку з цим залишається актуальною проблема створення таких автоматизованих засобів оцінки і аналізу небезпеки, які можна використовувати досить часто, користуючись конкретними даними про реальні ситуації, що виникають на об’єктах. Це надасть можливість виявляти небезпеку на більш ранніх етапах її розвитку.

Дана робота присвячена дослідженню питань методології створення подібних автоматизованих систем. Цим і визначається актуальність дисертаційного дослідження.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт:–

Дослідження питань моніторингу та аналізу ситуацій на потенційно-небезпечних об'єктах з метою своєчасного запобігання надзвичайним подіям. ІП ММС НАН України, Київ: 01.2000 – 12. 2000. Шифр „Ситуація”, облікова картка № 0201U003286 N OK;–

Розробка методології побудови автоматизованих систем контролю, аналізу, прогнозування розвитку й упередження виникнення надзвичайних подій на об'єктах складної структури. ІП ММС НАН України, Київ: 01.2001 – 06. 2002. Шифр „Упередження”, облікова картка № 0202U006408 N OK.

Мета дослідження. Метою роботи є розробка комплексу методик створення автоматизованих систем оцінки й аналізу ситуацій на ПНО для підтримки прийняття рішень по своєчасному запобіганню аварій і НП. При цьому оцінка й аналіз небезпеки виконуються з використанням імовірнісних показників виникнення різних типів аварій і НП, можливих на ПНО.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні задачі:

· аналіз існуючих моделей і методів опису розвитку техногенної небезпеки;

· аналіз існуючих засобів автоматизації оцінки, аналізу небезпеки на ПНО і прийняття рішень по запобіганню аварій і НП;

· розробка методу формалізованого опису ситуацій на ПНО, що дозволяє оцінювати імовірність виникнення небажаних елементарних (базисних) подій (методу експертних оцінюючих шкал – МЕОШ);

· розробка моделі комплексного використання методів дерев подій (ДП) та відмов (ДВ) і МЕОШ для моделювання розвитку небезпеки від моменту зародження небезпеки до виникнення аварії або НП;

· розробка технології автоматизованого моніторингу і аналізу ситуацій на ПНО;

· розробка методики побудови програмно-методичного комплексу.

Об’єктом дослідження є автоматизовані системи контролю й аналізу ситуацій на потенційно небезпечних об’єктах.

Предметом дослідження є моделі зародження і розвитку небезпеки, процедури імовірносних оцінок та аналізу небезпеки.

Методи дослідження. В основу методики дослідження покладено методи системного аналізу і математичного моделювання. Зокрема, широко використано метод аналізу ієрархій, методи теорії імовірності та математичної статистики, методи ДВ та ДП.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено метод формалізованого опису ситуацій і впливу ситуацій на імовірність виникнення небажаних елементарних подій (базисних подій), що породжують небезпеку. Метод одержав назву методу експертних оцінюючих шкал. МЕОШ дозволяє: а) створювати інформаційну основу оцінки й аналізу ситуацій, що описує формалізовані знання про вплив ситуацій на імовірність виникнення елементарних небажаних подій (базисних подій); б) розраховувати оцінки імовірностей виникнення базисних подій (БП) як функції набору значень причинних факторів, що обумовлюють ситуації на ПНО. (Раніше імовірності БП не розраховувалися, а задавалися як вихідні дані).

Таким чином, МЕОШ є засобом моделювання техногенної небезпеки на етапі її зародження.

Удосконалено методику ІАБ у напрямку розширення його можливостей шляхом комплексного застосування методів ДП, ДВ та МЕОШ для наскрізного моделювання розвитку небезпеки від моменту зародження техногенної небезпеки до реалізації аварій або НП. Розроблені методи застосування розширеного ІАБ для автоматизованої оперативної оцінки й аналізу конкретних поточних ситуацій, що виникають на ПНО. При цьому участь експертів не обов'язкова, використовуються їхні формалізовані знання, що зберігаються в попередньо створеній інформаційній основі.

Практичне значення отриманих результатів. У дисертації розроблено комплекс методик, що включає в себе методи моделювання зародження і розвитку техногенної небезпеки, систему показників небезпеки, алгоритмів їхніх розрахунків, технологію функціонування процедур оцінки й аналізу небезпеки і методику формування інформаційної основи. Комплекс методик може бути використаний для побудови автоматизованих систем оцінки й аналізу ситуацій на ПНО, застосовуваних при таких ситуаціях: а) моніторингу поточних ситуацій на ПНО; б) оперативному аналізі небезпечних і ”підозрілих” на небезпеку ситуацій з метою підтримки прийняття рішень у міру запобігання аварій і НП; в) оцінці безпеки проектів створення, реконструкції і передислокації ПНО; г) складанні Декларацій безпеки об'єктів підвищеної небезпеки; д) експертизі безпеки об'єктів підвищеної небезпеки; е) паспортизації ПНО. Система паспортизації ПНО розроблена за участю автора (як постановника задачі) в Інституті проблем математичних машин і систем НАНУ (ІПММС) в інтересах Міністерства оборони, є необхідною складовою першої черги автоматизованих систем оцінки та аналізу ситуацій (АС ОАС) і може бути використана в будь-якому міністерстві, відомстві України, у тому числі і у Міністерстві з питань надзвичайних ситуацій і по справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи України (МНС), а також в органах центральної влади (Кабінет Міністрів, Адміністрація президента) і в органах місцевого самоврядування.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, основні теоретичні і практичні результати, висновки, рекомендації, що виносяться на захист, отримані автором особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, особистим внеском здобувача є: розробка методу формалізованого опису ситуацій і їхнього впливу на імовірність виникнення небажаних подій (МЕОШ); комплексне застосування методів ДП, ДВ і МЕОШ для моделювання розвитку небезпеки; розробка методики розрахунків системи показників оцінки небезпеки ПНО, розробка технології функціонування АС ОАС і методики формування інформаційної основи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та отримали позитивний відгук на конференціях: International Conference ”Dynamical Systems Modeling and Stability Investigation”(Kyiv, 2001); International Conference ”Information Systems Technology and its Applications” (Kharkiv, 2001); International Conference ”Prediction and Decision Making Under Uncertainties” (Kyiv, 2001); Першій науково-методичній конференції ”Безпека життя і діяльності людини – освіта, наука, практика” (Київ, 2002); Міжнародній конференції з індуктивного моделювання (Львів, 2002); International Conference ”Prediction and Decision Making Under Uncertainties” (Kyiv-Kanyv, 2002); Міжнародній науково-практичній конференції ”Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами в надзвичайних ситуаціях” (Київ –Харків - Крим, 2003); Всеукраїнській науково-технічній конференції рятувальників "Аварійно-рятувальна справа в Україні. Стан та перспективи розвитку” (Київ, 2002).

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені в 12 публікаціях, у тому числі 4 статтях у виданнях, рекомендованих ВАК України для спеціальності 05.13.06, з них 3 – одноосібні, а також у матеріалах 8 конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів особистих досліджень, заключення, висновків, списку використаних джерел (85 назв) та п‘яти додатків. Робота викладена на 126 сторінках основного тексту, містить 16 таблиць, 23 рисунки.

Основний зміст роботи

У вступі викладені: сутність проблеми автоматизації контролю і аналізу ситуацій на потенційно небезпечних об'єктах (ПНО); обґрунтування актуальності теми; мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичні результати роботи.

У першому розділі проведено короткий аналітичний огляд методів оцінки й аналізу ризику автоматизованих систем і програмних комплексів, орієнтованих на забезпечення техногенної безпеки. Значна частина систем орієнтована на кризовий період, коли аварія стала необоротним процесом. При цьому прогнозується напрямок розвитку аварії, масштаби поширення небезпеки і розміри можливих втрат. Менше систем орієнтовано на виконання імовірносного аналізу безпеки (ІАБ). Відповідно до методики ІАБ, імовірність аварії обчислюється на підставі імовірностей елементарних небажаних подій, що встановлюються за допомогою експертних оцінок або статистики. Пропонований автором комплекс методик передбачає моделювання небезпеки на ранніх етапах її зародження, що дозволить обчислювати імовірності елементарних небажаних подій залежно від ситуацій, у яких знаходяться об'єкти. Обчислені імовірності використовуються потім в методах традиційного ІАБ для розрахунку імовірностей можливих аварій.

У другому розділі описана логічна основа створення АС ОАС, яка включає в себе: а) метод моделювання зародження і розвитку небезпеки, що являє собою поєднання методів ІАБ і МЕОШ; б) систему показників оцінки та аналізу, яка характеризує різні сторони техногенної небезпеки; в) методику розрахунку системи показників.

Моделювання зародження і розвитку небезпеки являє собою формалізацію випадкового процесу взаємодії небажаних подій, що може закінчитися аварією або НП. Формалізація виражається у вигляді структурування передісторії аварії, виявлення небажаних подій, установлення їхніх взаємозв'язків, визначення їхньої значимості в розвитку небезпеки та імовірностей їхнього виникнення. У передісторії аварії або НП виділено три послідовні зони: зародження, прояву, загрози.

Моделювання розвитку небезпеки в зоні загрози виконується за методом ДП. Аварія розглядається як заключна (кінцева) подія в ланцюжку попередніх подій, одна з яких вважається ініціюючою (вихідною подією), а інші – підтримуючими або превентуючими розвиток небезпеки (проміжні події).

Розрахунок імовірності реалізації аварійної послідовності за методом ДП виконується відповідно до виразу

, (1)

де – імовірність вихідної події , – умовна імовірність проміжної події при реалізації події .

Модель ДВ опису небажаної події встановлює зв'язок між цією подією, що називається верхньою, та іншими елементарними (базисними) подіями, які впливають на імовірність його виникнення. Базисні події в ДВ з'єднані логічними елементами у визначені рівнобіжні і послідовні сполучення, сукупність яких приводить до завершальної верхньої події. Істотним поняттям є поняття мінімального перетину базисних подій (або просто перетину) як комбінації найменшої кількості подій, достатніх для виникнення верхньої події.

Розрахунок імовірності верхніх подій ДО виконується в такий спосіб. Верхня подія являє собою суму мінімальних перетинів базисних подій , що приводять до нього:

, (2)

де , (3)–

базисні події з перетину . Показано, що для випадків, коли значення імовірностей базисних подій менші або рівні 10-3 , а кількість базисних подій не менш ніж 2, імовірність виникнення верхньої події на ДB з деяким наближенням може бути обчислена відповідно до виразу

. (4)

Імовірності перетинів визначаються як добутки імовірностей складових базисних подій.

. (5)

Підставивши (5) у (4), одержимо

. (6)

Послідовне застосування виразів (6) і (1) дозволяє розраховувати імовірність аварійної послідовності на основі базисних подій. Таким чином, імовірнісний аналіз безпеки пов'язаний з проблемою визначення імовірностей базисних подій.

Одним із шляхів рішення проблеми визначення імовірностей БП є пропоноване в даній роботі моделювання небезпеки в зоні зародження. Підхід моделювання заснований на формалізації знань про залежності між ситуаціями на ПНО та імовірностями виникнення окремих елементарних базисних подій. (Тут під ситуацією розуміється набір значень факторів, що обумовлюють стан об’єкта і стан навколишнього середовища).

У результаті реалізації підходу виникає можливість, спостерігаючи за факторами, що впливають на виникнення небажаних базисних подій, робити оцінки імовірностей їхнього виникнення і потім використовувати ці оцінки в комбінованій моделі ДВ і ДП для розрахунку імовірності аварії. Моделювання ситуацій містить у собі формалізацію опису ситуацій, можливих на об'єкті, і їхнього впливу на імовірність виникнення небажаних подій.

Опис ситуації. Кожна ситуація описується набором значень факторів, що обумовлюють небезпеку на ПНО. Опис фактора передбачає: для якісного фактора встановлення переліку всіх його можливих значень, одне (або декілька) з яких прийнято вважати нормальним; для кількісного – встановлюються його мінімальні і максимальні можливі значення. Область значень кількісного фактора розділяється на діапазони, у межах яких вплив його на небезпеку (імовірність виникнення небажаної події) можна вважати (з погляду експерта) постійним. Таким чином, область можливих значень фактора приймає вид експертної шкали. Для кожної шкали встановлюються нормальне і критичне значення. Кожна ситуація S описується вектором , де – одне з можливих значень .

Вибір системи факторів виконується на підставі двох положень, що приймаються без доведення.

Постулат 1. Опис ситуацій може бути представлено повною системою незалежних факторів, що обумовлюють небезпеку.

Постулат 2. Вплив фактора, що обумовлює виникнення небажаної події, носить монотонний характер.

Опис впливу ситуацій на імовірність виникнення небажаних подій. Можна виділити два підходи оцінки впливу ситуацій: спрощений і уточнений.

Вираз

(7)

являє собою спрощену характеристику ступеня відхилення ситуації, що перевіряється, від нормальної, де – нормальне, максимальне і мінімальне значення відповідно; – внесок (відносна роль фактора у виникненні небажаної події); – значення у конкретній ситуації. Спостерігаючи за факторами небезпеки й обчислюючи відповідне значення функції , можна проводити спрощений моніторинг небезпеки поточних ситуацій. Тому функцію будемо називати моніторинговою функцією.

Уточнена оцінка впливу ситуацій на імовірність виникнення небажаних подій.

Визначення. Функцією впливу фактора на небезпеку називається відповідність, що встановлює кожному можливому його значенню визначену величину, яка характеризує вплив фактора на небезпеку ситуації, коли він приймає дане конкретне значення, а інші приймають значення, за яких вони не впливають на виникнення небезпеки. Можливими значеннями функції впливу є імовірності небажаної події.

Формування функцій впливу може виконуватися: на підставі експертних оцінок; застосуванням моделей відмов; способом комбінування експертних оцінок і даних статистики. Для опису сукупного впливу факторів на небезпеку необхідно забезпечити односпрямованість їхніх впливів, тому що в сукупності одні з них можуть впливати на небезпеку убік її збільшення, а інші у той же самий час сприяють зменшенню небезпеки.

Визначення. Назвемо псевдофактором відносно фактора, якщо його можливі значення (Y) пов'язані зі значеннями співвідношенням:

Y=E-X+B, (8)

а функція впливу псевдофактора (y) визначається функцією впливу за правилом

, (9)

де Х – можливі значення ; B і E – максимальне і мінімальне можливі значення. Зображення взаємозалежності функцій впливу фактора і псевдофактора зображені на рис.

Рис. Взаємозалежність функцій впливу фактора і псевдофактора (відповідно і )

Після того, як сукупність факторів має єдину спрямованість, задача агрегування їх впливу на імовірність виникнення небажаної події може бути поставлена в наступному формулюванні: визначити імовірність небажаної події a, якщо вона виникає під впливом , для кожного з яких апріорно встановлена його функція впливу fj на імовірність виникнення події a. Ситуація, для якої визначається імовірність події a, описується набором значень , а fj(bj) – значення, що приймають функції впливу fj у даній ситуації.

Тому що значення fj є імовірністю виникнення події a, коли Fj приймає значення bj у той час, коли інші не впливають на небезпеку, то сукупний вплив на імовірність події a визначається виразом

, (10)

де P (a) – імовірність події a, що виникла під впливом , які приймають значення bj.

Будемо називати викладену методику формалізованого опису ситуацій методом експертних оцінюючих шкал – МЕОШ.

У третьому розділі описана технологія автоматизованих оцінок й аналізу ситуацій на ПНО. Основними функціональними компонентами АС ОАС на ПНО є моніторинг і аналіз ситуацій.

Моніторинг містить у собі відновлення даних про стан об'єктів, навколишнього середовища і моніторинговий контроль ступеня небезпеки сформованої ситуації. Відновлення здійснюється на підставі вхідних повідомлень, що надійшли у документах або в електронному вигляді по каналах зв'язку. Моніторинговий контроль може бути реалізований за значеннями факторів і по моніторингових функціх. Моніторинг дозволяє одержати уявлення про характер і ступінь техногенної небезпеки контрольованих об'єктів, відсіяти ситуації, що не викликають побоювань, виявити критичні і близькі до них ситуації, а також вирішити, які об'єкти і які ситуації мають потребу в додатковому аналізі.

Функціональний блок “Аналіз” включає розрахунок показників, необхідних для аналізу, процедури аналізу і формування вихідних документів і повідомлень за результатами аналізу.

Розрахунок показників містить у собі наступні процедури:

П1. Розрахунок імовірності виникнення небажаної події a, на яку впливають фактори , виконується відповідно до виразу

, (11)

де J – множина індексів факторів, що впливають на виникнення події a; X={xj} (jJ) – поточні значення факторів; fj (xj) – значення функції впливу фактора Fj на виникнення події a, коли фактор приймає значення xj.

П2. Розрахунок імовірності реалізації мінімальних перетинів базисних подій. Імовірність перетину S, що складається з базисних подій {al } (lL) , обчислюється відповідно до виразу

, (12)

де L – множина індексів базисних подій з перетину S; P(al) – імовірність їх виникнення, що обчислюється відповідно до виразу (11).

П3. Розрахунок імовірності вихідної події. Ситуації на об'єкті обумовлюються набором факторів {Fj}, (j=1,2,..,k), а вихідна подія А0 описана як верхня подія ДО з мінімальними перетинами Sq (q=1,2,..,Q). При цьому кожен перетин Sq визначається базисними подіями {} (), де Lq – множина індексів базисних подій, що входять у перетин Sq. Попередньо для кожної базисної події і кожного фактора з {Fj} описані функції впливу. Тоді імовірність реалізації вихідної події може бути обчислена відповідно до виразу

. (13)

Підставляючи сюди значення з (12) і (11), одержимо

. (14)

П4. Розрахунок імовірності виникнення проміжних подій в аварійних послідовностях. У загальному вигляді розрахунок імовірності i-ї проміжної події Аi визначається за формулою

, (15)

де Р(А1i) – обчислюється відповідно до виразу (14); – умовна імовірність виникнення проміжної події Аi, якщо їй передує Аi-1, що встановлюється на попередньому етапі при формуванні інформаційної основи автоматизованої системи.

П5. Розрахунок імовірності реалізації ланцюжка подій (зокрема, аварійної послідовності). Імовірність реалізації аварійної послідовності визначається за формулою

, (16)

де Р(А0) відповідно обчислюється згідно (14) ; Р(Аi) – (15).

П6. Розрахунок імовірності аварії при декількох аварійних ланцюжках, що призводять до неї. Аварія АВ є наслідком одного з n незалежних ланцюжків небажаних подій: АП1,...., АПn. Імовірності цих ланцюжків обчислюються згідно (16) і рівні P (AПd) (d = 1, . . ., n).

Тоді імовірність аварії обчислюється за формулою

. (17)

П7. Визначення значимості окремих факторів при виникненні небажаних базисних подій у поточній ситуації. Значимість Zj(a) фактора Fj у виникненні події a у конкретній ситуації визначається виразом

, (18)

де fj (xj), fj (xNj), fj (xkj) – значення функції впливу Fj, коли він приймає поточні, нормальне і критичне значення відповідно.

Процедури аналізу. Показники небезпеки, розраховані за допомогою процедур П1-П7, є вихідними даними для процедур аналізу.

Процедура В1 – виявляє максимально виражені ознаки небезпеки, дозволяє сфокусувати погляд користувача на конкретних подіях, що є джерелами небезпеки, побачити шлях її розвитку і головні причинні фактори, що впливають на її виникнення. Вона добре характеризує ситуації, коли ранжировані небажані події чітко домінують (за імовірністю) над іншими. У протилежному випадку процедуру В1 доповнюють інші процедури, що у своїй сукупності більш повно характеризують особливості ситуації, що аналізується.

Процедура В2 – оцінка ступеня небезпеки. Суть даної процедури у тому, що обчислене значення імовірності аварії накладається на шкалу її можливих значень (діагностичну шкалу). Результатом є вербальна оцінка ступеня небезпеки і відповідна їй оцінка в балах.

Процедура В3 – виявлення найбільш значимих аварійних послідовностей (АП). Виявляються три класи АП: а) домінантні АП, імовірності реалізації яких більше лівої границі (G) діапазону небезпеки на діагностичній шкалі; б) малозначимі АП - такі АП, імовірність сукупності яких менше G; в) ординарні АП, що не відносяться до класів “а” і “б”. У результаті коло аналізованих АП звужується за рахунок видалення класу “б”.

Процедура В4 – визначення найбільш слабкої ланки (що лідирує за імовірністю) АП. АП складається з подій , імовірності яких обчислені згідно (14) і (15). Проранжуємо події АП у порядку зменшення їхньої імовірності і позначимо . Для визначення самої слабкої ланки даної АП треба провести порівняння їхніх імовірностей і оцінити значимість їхніх розходжень. Перевірка лідерства виконується процедурою, описаною в таблиці.

Порівняння імовірностей двох “сусідніх” проранжованих подій виконується за правилом: “серед двох величин немає лідера, якщо виконується умова (19)”.

[P(di) - P(di+1)] / P(di) ? ?, (19)

де ? – апріорно задана величина, що характеризує істотне розходження двох величин. (Чим менша величина ?, тим більш суворіший висновок про близькість порівнюваних імовірностей.)

Процедура В5 – виявлення найбільш імовірного перетину у “слабкій ланці” (події Аi).

Процедура В6 – виявлення найбільш імовірної базисної події в перетині. Ця процедура реалізується аналогічно В4.

Процедура В7 – визначення найбільш значимих (ключових) факторів. Розглядаються два аспекти виділення таких факторів, які обумовлюють імовірність однієї конкретної події з перетину і визначають імовірність реалізації всього перетину в цілому. Результати подаються у вигляді комплекту документів, що мають форми таблиць, діаграм, гістограм.

Таблиця

Правило перевірки лідерства подій в аварійній послідовності

Умови | Сполучення умов перевірки лідерства

I | II | III | IY

Y1 | [P(d1) - P(d2)] / P(d1) ? ? | + | + | + | -

Y2 | [P(d2) - P(d3)] / P(d2) ? ? | + | + | - | =

Y3 | [P(d3) - P(d4)] / P(d3) ? ? | + | - | - | =

Діагноз

D1 | “Немає лідируючих подій в АП’’ | Ч

D2 | “Три нечітких лідери d1, d2, d3 “ | Ч

D3 | “Два лідери d1, d2,” | Ч

D4“ | Один явний лідер d1” (одне слабке місце) | Ч

Умовні позначки: “+” – умова виконана; “-” – умова не виконана; “=” – умова не робить впливу.

У четвертому розділі приведена методика створення автоматизованих систем оцінки й аналізу ситуацій, що передбачає три етапи. На першому створюється нормативно-довідкова БД системи (довідники небажаних подій, факторів небезпеки, небезпечних речовин, устаткування та ін.), а також БД паспортів безпеки ПНО. Другий етап орієнтований на реалізацію функцій моніторингового контролю. Для цього створюється програмне забезпечення (ПЗ), що реалізує моніторинговий контроль, а також інформаційна основа системи контролю й аналізу, що включає в себе опис функцій впливу факторів, сценаріїв розвитку небезпеки у вигляді ДП і ДО, опис внесків факторів у виникненні небажаних подій і діагностичних шкал. При створенні функцій впливу за допомогою експертних оцінок використовують метод аналізу ієрархій, а за допомогою моделей відмов – методику оцінки імовірності відмов.

Використання методики оцінки імовірності відмови для формування функції впливу факторів небезпеки на виникнення небажаних базисних подій

Елементарні небажані базисні події можливо розглядати як відмови різних систем та об’єктів. Функції впливу фактора формуються в умовах, коли заздалегідь встановлено прогнозований інтервал часу (заданий початок та довжина інтервалу ). Функція впливу при фіксованому значенні фактора може бути інтерпретована як величина, протилежна коефіцієнту оперативної готовності (КОГ).

=1-КОГ, (20)

де КОГ – умовна імовірність безвідмовної роботи в період за умови, що до моменту відмов не було.

КОГ=, (21)

де – імовірність безвідмовної роботи до моменту t1+; – імовірність безвідмовної роботи до моменту t1.

=1-; (22)

=1-, (23)

де і імовірність наробок до відмови в моменти і .

Підставивши вирази (21), (22), (23) в (20), одержимо:

, (24)

або . (25)

Для розрахунку імовірностей наробок до відмови на моменти и необхідно визначити тип функції розподілу і оцінки параметрів розподілу. Це можливо зробити, використавши методику прогнозування відмов (ГОСТ 27.005-97). Вона включає вибір теоретичної моделі наробки до відмови, постановку на випробування, оцінку параметрів вибраного теоретичного розподілу і прогнозні розрахунки на основі вибраного розподілу і оцінок параметрів розподілу.

Примітка. Теоретичні моделі розподілів можна розбити на два класи: суворо імовірносні і імовірносно-фізичні. Моделі першого класу основані тільки на статистиці відмов і не пов’язані з фізичними явищами, що призводять до розподілу відмов. Моделі другого класу основані на аналітичному зв’язку показників надійності із закономірностями перебігу деградаційних процесів. Ці моделі враховують фізичну природу відмов і встановлюють зв’язок між імовірністю відмови і фізичним параметром, що викликає відмову. Імовірносно-фізичні моделі мають більшу перевагу перед суворо імовірносними моделями в тому, що їх параметри можуть бути оцінені на основі як статистики відмов, так і аналізу фізичних процесів деградації. Імовірносно-фізичні моделі особливо ефективні в умовах незначної статистики відмов. Ці моделі одержали назву дифузійних розподілів: немонотонний розподіл (DN) і монотонний розподіл (DM).

Приклад. Фактор впливає на відмову виробу певного типу та набуває можливих значень , . . ,. Треба створити функцію впливу фактора. Фіксуємо одне з можливих його значень . Група виробів даного типу ставиться на випробування при . Спостерігається наробка до відмови та зміни визначального параметра. Згідно методиці прогнозування відмов вибирають теоретичний розподіл відмов і розраховують оцінки параметрів розподілу. Припустимо, що вибрано DN-розподіл, тоді імовірність наробки до відмови розраховується за формулою

, (26)

де – нормований нормальний розподіл; t – заданий момент для прогнозу; – оцінка параметра масштабу розподілу; – оцінка параметра форми розподілу.

Оцінки і одержані за допомогою методики прогнозування відмов. Використавши (26), отримаємо значення імовірностей наробки до відмови для моментів часу і . Після цього, підставивши отримані значення у вираз (25), розрахуємо імовірність небажаної події в період, що прогнозується, тобто значення функції впливу при.

Аналогічно розраховуються усі інші значення функції впливу для.

Таким чином, використання методики прогнозування імовірності відмов дозволяє створювати функції впливу факторів небезпеки не тільки експертними методами, але й за допомогою суворо формалізованих обчислювальних процедур.

Інформаційна основа створюється із застосуванням попередньо розробленого ПЗ. У розділі приведені описи процедур формування інформаційної основи і їхня послідовність. Третій етап орієнтований на реалізацію імовірнісного аналізу безпеки ПНО. Для цього створюється ПЗ розрахунку системи показників аналізу небезпеки (вирази 11-18), процедур аналізу ситуацій (А1 – А7) і формування вихідних форм.

Впровадження. Результати роботи були впроваджені в Технічному проекті дослідно-конструкторської роботи „Черемшина-2” та при розробці паспортів для потенційно небезпечних об’єктів Збройних Сил України.

ВИСНОВКИ

Розроблено комплекс методик створення автоматизованих систем оцінки та аналізу ситуацій (АС ОАС) для підтримки прийняття рішень по запобіганню аварій або надзвичайних подій (НП) на потенційно небезпечних об'єктах (ПНО). При цьому отримані такі результати:

1. Розроблено новий метод формалізованого опису ситуацій і впливу ситуацій на імовірність виникнення небажаних подій, що породжують небезпеку на ПНО, названий методом експертних оцінюючих шкал (МЕОШ). Він дозволяє представити ситуацію у вигляді сукупності значень набору незалежних односпрямованих (за своїм впливом) факторів, що впливають на виникнення небажаних подій.

2. Розроблено метод розрахунку імовірності небажаних подій на основі опису факторів, що впливають на виникнення цих подій.

3. Запропоновано методику моделювання зародження небезпеки на ПНО, засновану на застосуванні МЕОШ для опису впливу ситуацій на імовірність виникнення елементарних небажаних подій (базисних подій). Це дозволило розширити традиційний імовірнісний аналіз безпеки (ІАБ), зробивши можливим наскрізне моделювання розвитку небезпеки від періоду зародження до реалізації аварії або НП.

4. Розроблено структуру інформаційної основи (ІО) системи оцінки та аналізу ситуацій, а також процедури її формування. ІО створюється з використанням експертних знань і статистичних даних про фактори, що обумовлюють ситуації на ПНО.

5. Запропоновано систему показників, що характеризують небезпеку аналізованих ситуацій; розроблені методи розрахунку показників, використовуючи інформаційну основу АС ОАС і дані про значення факторів.

6. Розроблено технологію моніторингових оцінок і оперативного аналізу ситуацій, яка включає в себе опис обчислювальних процедур оцінки та аналізу, послідовність їхньої реалізації і умови застосування. Нова технологія дозволяє проводити моніторингові оцінки й оперативний аналіз на ранніх етапах зародження небезпеки. При цьому відпадає необхідність багаторазового залучення висококваліфікованих експертів для періодичної оцінки станів ПНО. Для спостереження за факторами, що обумовлюють небезпеку, досить використовувати технічний персонал, що оновлює дані про ситуації на ПНО на основі актуалізованих документів і/або даних контрольної апаратури.

7.Запропоновано структуру програмного забезпечення АС ОАС, етапність його розробки і перспективи розвитку. Програмне забезпечення інваріантне видам небезпеки і типам ПНО. АС ОАС відрізняються не програмним забезпеченням, а змістом своїх інформаційних основ. Це дозволяє, створивши програмне забезпечення для одної конкретної АС ОАС, тиражувати його для інших типів АС ОАС.

8. Досліджено питання паспортизації ПНО як засобу формування і відновлення даних, необхідних для оцінки й аналізу небезпеки. Розроблено структуру паспорта безпеки, заснованої на відображенні значень факторів, що обумовлюють небезпеку ситуацій на ПНО. Це дозволяє формувати й обновляти дані, необхідні для оцінки й аналізу небезпеки. Розроблено автоматизовану систему створення і ведення бази даних паспортів потенційно небезпечних об’єктів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Серебровский А.Н. О контроле и анализе ситуаций на потенциально опасных объектах // Математические машины и системы. – 1999. – № 1. – С. 98 – 117.

2. Серебровский А.Н. Об оценках ситуаций на потенциально опасных объектах на этапе превентивного мониторинга // Там же. – 2000. – № 1. – С. 57 – 64.

3. Серебровский А.Н. Об одном подходе к моделированию ситуаций на потенциально опасных объектах с целью оценки опасности и своевременного предотвращения чрезвычайных происшествий // Dynamical Systems Modeling and Stability Investigation: Thes of Conf Reports, Kyiv. – 2001. – May 22 – 25. – Р. 217 – 218.

4. Serebrovsky A.N. The Information Technology Method for the Monitoring of the Potentially Hazardous Objects // Information Systems Technology and its Applications. Proc. Int. Conf./ M. Godlevsky, H.C. Mayr (eds). – Kharkiv, Ukraine. – 2001. – June 13 – 15. – Р. 207 – 214.

5. Серебровский А.Н. О расчете вероятностей возникновения чрезвычайных происшествий на потенциально опасных объектах с учетом текущих ситуаций // International Conference ”Prediction and Decision Making Under Uncertainties”. – Kyiv. – 2001. – September 11 – 14. – Р. 121 – 122.

6. Серебровский А.Н. Об оценке риска потенциально опасных объектов // Матеріали I науково-методичної конференції “Безпека життя і діяльності людини – освіта, наука, практика”. – Київ. – 2002. – Січень. – С. 60 – 62.

7. Серебровский А.Н., Рогач В.Д., Хоминич В.С. О комбинационном подходе моделирования техногенной опасности // Праці Міжнародної конференції з індуктивного моделювання. – Львів. – 2002. – Травень 20 – 25. – С. 85 – 88.

8. Серебровский А.Н. О моделировании развития техногенной опасности с целью оценки риска // International Workshop”Problems of Decision Making and Control Under Uncertainties” (PDMU-2002) – Kyiv-Kanyv, Ukraine. – 2002. – May 14 – 20 . – Р. 93 –94.

9. Серебровский А.Н. Об одном методе вероятностного анализа безопасности потенциально опасных объектов // Математические машины и системы. – 2002. – № 1. – С. 41 – 48.

10. Серебровский А.Н. О роли точных методов анализа при решении этических проблем техногенной опасности // II Международный симпозиум по биоэтике. Тезисы докладов. – Киев. – 2002. – 4 – 6 марта. – С . 67 – 68.

11. Серебровский А.Н., Рогач В.Д. О формировании информационной основы систем контроля и анализа ситуаций на потенциально опасных объектах // Математические машины и системы. – 2002. – № 3. – С. 62 – 70.

12. Морозов А.А., Кузьменко Г.Е., Серебровский А.Н. и др. К вопросу о паспортизации потенциально опасных объектов // Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях”. Тези доповідей. – Київ-Харків-Крим. – 2002. – Серпень. – С. 31 – 37.

Анотація

Серебровський О.М. Методика побудови автоматизованих систем контролю та аналізу ситуацій на потенційно небезпечних об'єктах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. – Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена методології побудови автоматизованих систем оцінки та аналізу техногенної небезпеки. Запропоновано та досліджено метод формалізованого опису ситуацій і їх впливу на імовірність виникнення небажаних елементарних подій, що породжують небезпеку. Методика названа “Метод експертних оцінних шкал” (МЕОШ). Застосування МЭОШ у сполученні з методами Дерева відмов і Дерева подій розширює можливості традиційного імовірнісного аналізу безпеки. МЕОШ дозволяє створювати інформаційну основу автоматизованих систем оцінки та аналізу небезпеки на підставі експертних знань про фактори і їхній вплив на можливість реалізації елементарних небажаних подій. Комплекс методик включає розрахунок системи показників оцінки та аналізу, процедури моніторингового контролю ситуацій на об'єктах і процедури аналізу, що уточнює ступінь небезпеки ситуацій, причини її виникнення для підготовки прийняття рішень із запобігання аварій або НП.

Ключові слова: автоматизовані системи контролю ситуацій, потенційно небезпечний об'єкт, імовірнісний прогноз, фактори техногенної небезпеки.

Аннотация

Серебровский А.Н. Методика построения автоматизированных систем контроля и анализа ситуаций на потенциально опасных объектах.– Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена одному из наиболее актуальных аспектов обеспечения техногенной безопасности – вероятностному анализу безопасности (ВАБ), позволяющему выполнять прогнозные оценки возможности возникновения аварий и ЧП. Расчеты традиционного ВАБ основаны на значениях вероятностей элементарных нежелательных событий, которые устанавливаются на основе статистики или с помощью экспертных оценок. В предлагаемом комплексе методик оценки техногенной опасности вероятность элементарных событий не устанавливаются, а вычисляются на основании данных о ситуациях, возникающих на потенциально опасном объекте. Ситуация формализуется как набор значений факторов, обусловливающих опасность. Каждый фактор описан множеством своих возможных значений. Для каждого из них определена априорная функция влияния фактора на вероятность нежелательного события. Возможные значения факторов и функции их влияния составляют информационную основу системы оценки и анализа ситуаций, которая формируется при участии экспертов на этапе ее создания и затем многократно используется при оперативном контроле и анализе опасности различных текущих ситуаций, возникающих на объекте. Зная