Актуальность работы.
Гидротехнические сооружения накопители жидких промышленных отходов относятся к категории опасных объектов, имеющих широкое распространение. Только и лесообрабатывающей промышленности — на целлюлозно-бумажном комбинате — имеются золоогвалы, отстойники, шламонакопители. Аналогичные гидротехнические сооружения эксплуатируются и в других отраслях промышленности: металлургической, горнодобывающей, химической, энергетической и др. Аварии па подобных сооружениях могут привести к загрязнению окружающей среды, затоплению близлежащей территории, что повлечет огромные убытки для предприятия и региона. Поэтому обеспечение безопасности таких объектов имеет существенное значение.
Анализ статистических данных по гидротехническим сооружениям накопителям жидких промышленных отходов позволил сделать следующие выводы. Аварийность гидротехнических сооружений в России в 2,5 раза превышает среднемировые показатели. Основными причинами аварий являются: ошибки при проектировании, дефекты при строительстве, неудовлетворительное техническое состояние сооружений и низкий уровень эксплуатации, неправильная оценка размеров паводков. Нередко причиной аварий становится пренебрежение владельцами сооружений принципом приоритетного финансирования мероприятий, направленных на обеспечение их эксплуатационной безопасности. Согласно статистике инцидентов на подобных объектах, с каждым годом увеличивается количество незначительных поломок или случаев разрушения оборудования и сооружений. Подводя итоги за последние несколько лег. можно сделать вывод, что уровень риска возникновения аварийной ситуации для таких объектов возрастает с каждым годом и давно превысил средний риск по России — 2,4−10″ ' 1 /гол. Уменьшение риска возникновения аварий на гидротехнических сооружениях стало актуальной проблемой для любого предприятия — владельца гидротехнического сооружения.
Поэтому для рационального развития гидротехнических сооружений накопителей промышленных отходов требуется создание научно обоснованных подходов к оценке безопасности и выбору альтернатив развития в течение всего жизненного цикла таких объектов. Автоматизация решения задач оценки и прогнозирования безопасности с помощью информационных моделей поддержки управления — актуальный метод повышения эффективности управления промышленно-экологической безопасностью гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов.
Гидротехнические сооружения являются пространственно-распределенными промышленными объектами, то есть представляют собой комплекс промышленных и природных объектов, которые взаимодействуют на любом этапе жизненного цикла. Поэтому при мониторинге и анализе безопасности необходимо рассматривать подобное сооружение и как единый опасный объект, и как комплекс его составляющих. Характеристики пространственно распределенных промышленных объектов изменяются во времени, но в настоящее время для них практически отсутствует оперативный комплексный анализ с вариантами дальнейшего развития внешних и внутренних факторов риска при наличии предаварийной ситуации в текущий момент времени.
Автоматизация решения этих задач и интеграция их в единую систему сбора и обработки данных и оперативного управления позволит повысить и эффективность функционирования гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов.
Цель диссертационной работы.
Разработка модели и метода оценки и прогнозирования безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на всех этапах жизненного цикла для обоснованного выбора планово-предупредительных мер по предотвращению предаварийных и аварийных ситуаций.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
Основные задачи исследования.
1. Анализ существующих систем и методов оценки и прогнозирования безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов.
2. Разработка требований к системе обеспечения безопасности функционирования гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов.
3. Разработка и параметризация модели безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на основе ситуационной концептуальной модели.
4. Разработка метода оценки безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на различных этапах жизненного цикла.
5. Создание инструментальной среды оценки и прогнозирования безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов.
Методы исследования.
Для решения поставленных в работе задач используются методы концептуального моделирования, теории графов, теории вероятностей и математической логики, элементы теории множеств, методы оценки опасностей и рисков.
В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН в период с 2000 по 2006 гг.: «Методы и модели управления безопасностью природно-промышленных систем», гос. per. № 01.99.0010 289: «Информационные технологии ситуационного управления технологическими процессами и безопасностью б промышленно-природных комплексах», гос. per. № 01.2,003 3 819. На базе этих результатов разработано методическое и программно-алгоритмическое обеспечение для создания систем оценки и прогнозирования гидротехнических сооружений накопителей промышленных отходов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА определяется тем, что сформулирована и решена проблема автоматизации оценки и прогнозирования безопасности гидротехнических сооружений накопителей промышленных отходов на различных этапах жизненного цикла с целью экономического и технологического обоснований комплекса мер по предупреждению нештатных и чрезвычайных ситуаций, что обеспечивает повышение уровня промышленно-экологической безопасности предприятий. Основные аспекты научной новизны следующие:
1. Разработано расширение ситуационной концептуальной модели промышленно-природного комплекса на задачи промышленно-экологической безопасности. Выполнена параметризация концептуальной модели безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов применительно к условиям конкретного предприятия. Отличие модели состоит в реализации ситуационного подхода к оценке показателей безопасности.
2. Разработан метод оценки безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов, отличающийся тем, что в нем учитываются пространственно-временные характеристики объекта, при этом повышена детальность моделирования.
3. Разработана модель безопасности гидротехнических сооружений накопи телей жидких промышленных отходов. Отличие модели состоит в ее адаптации для различных этапов жизненного цикла с целью прогнозирования рационального развития.
Положения, выносимые на защиту, сформулированы в конце автореферата в качестве основных результатов работы.
Актуальность и научная новизна работы подтверждены включением результатов работы в перечень важнейших результатов Российской Академии Наук за 2002 год в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук.
Практическая ценность.
Внедрение единой инструментальной среды оценки и прогнозирования позволяет повысить уровень промышленно-экологической безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на различных ттапах жизненного цикла.
Практическая реализация осуществлена в рамках завершенных хозяйственных договоров:
1. Комплексная оценка устойчивости ОАО «Апатит» к воздействию чрезвычайных ситуаций техногенного, природного, социального характера и к воздействию первичных и вторичных факторов поражения в военное время. Договор № 2000/2401 от 01.02.2000 г.
2. Расчет вероятного вреда при авариях на гидротехнических сооружениях ОАО «Апатит. Договор № 2003/2401 от 1.01.2003 г.
3. Разработка паспортов безопасности опасных объектов ОАО «Апатит». Договор Лг" 2005/2404 от 01.10.2005 г.
Научная апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались па X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2002 г.), V Всероссийской школе-семинаре «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Апатиты, 2004 г).
Материалы диссертации использованы при выполнении работ по гранту РФФИ № 05−01−97 500, тема «Разработка моделей оценки тсхногенно-природной безопасности градообразующих предприятий европейского Севера (на примере ОАО „Апатит“)».
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 1 — в центральных изданиях, 2 — материалы международных конференций. 4 — статьи в сборниках научных трудов Институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН. Полученные результаты изложены в отчетах по НИР в Институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН.
Выводы по главе 4.
В результате практических исследований получены следующие результаты:
1. Выбран способ интеграции модели в информационную среду, основанный на объектно-ориентированном программировании. Он позволяет моделировать характеристики и поведение элементов ГТС НПО наиболее близко к реальност и.
2. Разработана структура классов модели, которая позволяет описать элементы ГТС НПО, их характеристики и взаимодействие. Каждый из перечисленных классов содержит определенный набор процедур и данных, соответствующий объекту ГТС НПО.
3. Разработана база данных для хранения исходных и текущих параметров в информационной среде, а также основные алгоритмы обработки и представления эт их данных.
4. Разработанная модель обеспечивает комплексную оценку устойчивости ГТС НПО к воздействию опасных внешних факторов в военное и мирное время и анализ риска, при создании паспортов и деклараций безопасности таких объектов. А также позволяет наглядно отображать результаты исследований элементов ГТС НПО как единой системы.
5. Использование результатов диссертационной работы на предприятиях, содержащих в своем ведомстве гидротехнические сооружения накопителей промышленных объектов, позволит оперативно произвести оценку текущего состояния объекта, рассчитать возможные социальные и экономические потери в случае возникновения возможной аварийной ситуации. На основе собранной информации модель позволяет рассчитать возможное развитие объекта в течение всего жизненного цикла и выбрать список возможных мероприятий для уменьшения степени риска для всех этапов жизненного цикла. Использование разработанной модели на предприятии представляет собой систему поддержки управления безопасностью, учитывающую исторические факторы естественного развития объекта и возможные влияния в будущем.
Заключение
.
В диссертационной работе сформулирована и решена проблема автоматизации управления всеми этапами жизненного цикла гидротехнических сооружений накопителей промышленных отходов с целью экономического и технологического обоснования комплекса мер по предупреждению нештатных и чрезвычайных ситуаций, что обеспечивает повышение уровня промышленно-экологической безопасности.
В ходе работы получены следующие результаты: Концептуальная модель расширена на задачи безопасностивыполнена параметризация концептуальной модели для ГТС НПО. Разработана иерархическая модель функционирования ГТС НПО, состоящая из трех множеств элементов — объектов, процессов и информационных ресурсов (данных). Опасные объекты и технологические процессы классифицированы по различным признакам и параметрам и разбиты на группы. Определены базовый набор характеристик каждой группы и их взаимосвязь. Отдельно выделен управляющий объект, который определяет степень безопасности объекта и обеспечивает выработку. возможных мероприятий для предотвращения предаварийных ситуаций.
Разработан метод оценки безопасности ГТС НПО, основанный па логико-вероятностном подходе и позволяющий определить степень риска аварии на объекте. В ходе работы проведен анализ функционирования существующих ГТС НПО. выбран набор инициирующих событий, влияющих на безопасность объекта, и определена их взаимосвязь. Разработанный метод оценки безопасности учитывает пространственно-временные характеристики элементов объекта и повышает детальность описания ГТС НПО до отдельного ресурса, что позволяет выявлять сложные (многократные) отказы. Разработана модель безопасности ГТС НПО, основанная на предложенном методе оценки безопасности и ситуационной системе моделирования. Она учитывает (разработанные средства обеспечения безопасности объекта) параметры каждого этапа жизненного цикла объекта. Модель предлагает рациональные варианты функционирования объекта на любом этапе его развития. Основным критерием оценки эффективности функционирования является рентабельность. С помощью модели можно также спрогнозировать изменение параметров элементов ГТС НПО при проведении выбранных мероприятий.
Результаты диссертационной работы использованы при реализации специализированных программных систем, которые внедрены для решения задачи автоматизации комплексной оценки устойчивости ГХК ОАО «Апатит». В дальнейшем планируется внедрить разработанный подход в лесопромышленный комплекс Карельской.
127 республики. Возможные направления дальнейших исследований по теме диссертационной работы: параметризовать концептуальную модель для всех типов гидротехнических сооружений, автоматизировать разработку возможных сценариев развития аварий на основе концептуальной модели.
