Основы построения автоматизированных систем оперативного управления технической безопасностью химических производств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, доктор технических наук Матвеев, Юрий Николаевич

• Матвеев, Юрий Николаевич
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Матвеев, Юрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.б

1. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ СЦЕНАРИЕВ РАЗВИТИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОБЪЕКТАХ ХРАНЕНИЯ И УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ.

1.1 Анализ исходных данных для оценки возможных сценариев развития аварийных ситуаций на объекта?: хранения и уничтожения химического оружия (ОХУХО).

1.1.1 Характеристика запасов химического ОруЖКЕ.

1.1.2 Характеристикаусловийхранения химического оружия.

1.2 Качественное состояние хюшческого оружия.

1.2.1 Качествекное состояние хиззетеских боеприпасов сгвсльнсй к реактивней артиллерии.

1.2.2 Качествекнее состояние авканионных хи?.;ичееккх боеприпасов.

1.2.3 Качественное состояние отр аз лягстпжх веществ. хранящихся в емкостях.Р

1.3 Социально -географическая оценка регион ое хранения химического оружия.

2.3.1 Физике-химические свойства ОВ.

1.3.2 Гсксикологические характеристики ОВ.

1.4 Ан ализ в о зз.з ожн ых ав арий, прив одяших к в оз никн ое ению чрезвычайных сиг/аций.

I А. I Характеристики возможных аварийных ситуаций на объекте хранение ХО « Горный".2"?

1.5 Характеристики возможных аварийных ситуаций на объекте уничтожения ХО « Горный>■.

1.5.2 Ав арки при е ну три ооъ ектов транспортиров ании X О.

1.5.2 Первал очередь объекта.

1.5.3 Вторая очередь объекта.

1.5.4 Внутрио£-ъ ектов ое транспортирование ОВ в железнодорожных пи стерках.

1.6. Аварии при уничтожении ОБ.

1.6.1. Уничтожение ыфито-лгсшитных смесей.

1.7 Выбор и обоснование методики моделирования аварийного загрязнения атмосферы.

I ."М Сравнительный анализ методик спеша-: по следствий аварий на химически опасных объектах.

1.8 Концепция создания автоматизированной информационно-управляющей ш стемы техническо й без о п асн о сш хр ан гния и уничтожения химического оружия (АИУС ТБ).

1.9 Постановка задачи исследования.

2. СИСТЕМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ УХО.

2.1. Особенности проблемы надежности для химико-технологических систем повышенной опасности (ХТСПО).

2.2. Агрегат огневого обезвреживания твердых отходов.

2.3. Методы поиска дефектов оборудования и проблемы их реализации.

2.4. Детектирование аномальных информативных признаков в стационарных технологических процессах.

2.5. Алгоритм детектирования аномальных информативных признаков в динамических технологических процессах.

2.5.1 Предпосылки создания метода.

2.5.2. Понятие шаблона. О ошвы м етод об . б ззирлющих ск на Б Б А. .%

2.5.3. Изложение сущно сш разр аботанного м етод г. .10!

2.6. Реализация режима реального времени.

2.7. Стратегия скользящего анализа.

2.8. Ведение глобальной библиотеки шаблонов.

2.9 Обоснование выбора длины «гусеницы».

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОБЛАКА ЗАРАЖЕННОГО ВОЗДУХА.

3.1 Математические модели процесса формирования начального источника химического заражения.

3.2 Математические модели процессов образования облака зараженного воздуха.

3.3 Математические модели процессов распространения ОЗВ.

3.1.1 Математическая модель процесса распространения ОЗВ при мгновенном выбросе играв ТХВ

3.3.2 Математическая модель пронессз распространений ОЗВ при непрерывно?,5 поступлении пароЕ ТХВ в атмосферу

3.4 Моделирование возникновения чрезвычайной ситуации.

3.4.1 Исследование возникновения чрезвычайной ситуации при мгновенном выбросе паров ТХВ

3.4.2 Исследование возникновения чрезвычайной ситуации при испарении с поверхно сти пролива на открытой местности

3.5 Моделирование развития чрезвычайной ситуации во времени.

3.5.1 Определение характеристик развитая чрезвычайной апл-ашш во времени

3.5.2 Последов ание развития чрезвычайной ситуации для к асел еннык. м ест

3.6 Алгоритм моделирования возникновения и развития чрезвычайной ситуации.

4. АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ УПРАВЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОХ УХО.

4.1. Задание исходных данных для моделирования последствий аварии.

4.2. Разработка и обоснование алгоритма оперативного управления.

4.2.1. Процесс образования 033 при взрывном разрушении ободочки как объект управления

4.2.2. Задача локатизашш 033 при мгновенном выбросе паров ТХВ в атмос® ер\г

4.2.3. Задача локализации 033 при испарении ТХВ с поверхности осаждения

4.2.3. Задача локализации 033 при испарении ТХВ с поверхности пролива

4.3. Алгоритм расчета управляющих воздействий при взрывном разрушении оболочки.

4.3.1. Алгоритм локализации 033. образующейся при мгновенном выбросе ТХВ

4.4. Алгоритм локализации 033: образующейся от испарения с поверхности осаждения жидких частиц и капель ТХВ ;.

4.5. Алгоритм локализации 033: образующейся от испарения ТХВ с поверхности пролива ^

4.6. Алгоритм расчета управл~ющнх воздействий для локалнзацни результирующей ОЗЗ .22S

5 МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ОЦЕНОК ПАРАМЕТР ОВ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ.

5.1 Опасности порождаемая техногенным объектом.

5.2. Модель прогноза аварийного риска.

5.2.1 Точечный источник опасности.

5.3 Оперативное управление локализацией чрезвычайной ситуации на объектах хранения и уничтожения химического оружия. 24S

5 4 Методика поддержки принятия решений при авариях на ОХ УХО.

5.5 Имитационное моделирование процесса образования 033.

5.6. Пример расчета химической обстановки по методике ГосНИИОХТ 273 6. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ ХРАНЕНИЯ И УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ.

6.1. Управленческая ин формаци онн ая си стем а.

6.!. 1. Основные требов ания к УИС.

6.1.2. Функциональная часть управленческой информационной системы (УИС).

6.1.3. Обеспечив гющэя часть з^правленческой информационной системы (УИС).

6.2. Автоматизированная система управления техн о логическим! процессами (АСУТП) объектов уничтожения химического оружия.

6.2.i Цель создания АСУТП.".".2S

6.2.2. Структурой функции АСУТП.2S

6.2.3. Взаимосвязь с другими системами.2SS

6.2.4. Технические средства АСУTlvin.

6.3. Автоматизация процесса контроля технической безопасности уничтожения химического оружия.

6.4. Автоматизация функций контроля технической безопасности уничтожения химического оружия.

6.5. Автоматизированные рабочие места для контроля технической безопасности уничтожения химического оружия.

6.5.1. С о став sbtom ашз иров анных р абочкх м е ст.

6.5.2. Назначение автоматизированных рабочих мест на объекте УХО.

6.5 3. Перечень должностных лип ОХ и УХО и выполняемых ими фзтакпий.

6.6. Программный комплекс прогнозирования химической обстановки при в озннкн ов енин ав арий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы построения автоматизированных систем оперативного управления технической безопасностью химических производств»

За последние десятилетия объем оружия массового поражения на планете, в том числе и химического, достиг колоссальной величины, чему способствовали и период «холодной войны», и локальные военные конфликты в различных частях планеты. Но особенности сегодняшней политической ситуации таковы, что перед государствами встает проблема уничтожения накопленных запасов химического оружия массового поражения.

Сложность данной проблемы заключается в ее многогранности, так как требует рассмотрения в комплексе различных аспектов: социально-экономических, организационных, технических, управленческих, информационных, кадровых, психологических и т.д. Попытки взаимосвязанного рассмотрения этих аспектов требуют в свою очередь разработки новых подходов с использованием современных возможностей науки и техники. Разработка теоретических основ организации управляемых сложных систем, в частности, автоматизированных систем с элементами искусственного интеллекта, в экстремальных ситуациях является одной из актуальных научных проблем.

Исследованию проблем технической безопасности, надежности опасных химико-технологических процессов и автоматизированного управления ими посвящено множество научных работ.

Следует отметить исследования российских ученых: А.Н. Елохина,

A.B. Измалкова, В.В. Кульбы, В.И. Васильева, И.Ю. Юсупова, Б.В. Палюха,

B.Н. Богатикова, В.М. Колодкина, В.Г. Горского, А.Ф. Егорова и других.

Значительный вклад в теорию обоснования и принятия решений внесли В.Н. Бурков, Д.А. Новиков, Э.А. Трахтенгерц, А.Г. Ивахненко, С.А. Саркисян, Ю.П. Зайченко и многие другие.

Среди зарубежных публикаций по данной проблематике можно выделить исследования, которыми занимались Дж. Клир, X. Taxa, В. Маршалл, Р. Кук, С. Гуаро, Р. Кимбелл, Э. Колл, Б. Инмон, М. де Грот, А. Вальд, Ч. Kapp, Т. Саати.

Автоматизация работы объектов повышенной опасности, в частности, опасных химических производственных комплексов и технологических процессов, является сегодня неотъемлемой частью повышения их безопасности и снижения вероятности возникновения аварийных ситуаций. Цена аварии на подобных объектах, как правило, имеет катастрофический масштаб, поскольку последствия возникновения подобных ситуаций затрагивают не только и не столько сам объект, но и сопрягаемые с ним территории, превосходящие его в сотни и тысячи раз. Большинство веществ, которые обрабатываются или синтезируются на объектах этого класса, связаны с опасностью для жизни человека.

Необходимость применения автоматических систем управления и мониторинга на химических объектах повышенной опасности обусловлено следующими причинами: статистически обосновано, что более 50% возникающих аварийных ситуаций обусловлены человеческим фактором, поэтому любое управляющее воздействие, которое может быть автоматизировано, передается АСУ ТП; подавляющее число функционирующих химико-технологических процессов требует их полной изоляции от человека; для адекватной оценки величин параметров многих технологических процессов времени реакции человека совершенно недостаточно.

Таким образом, безопасность объектов повышенной опасности зависит, в значительной мере, от уровня развития автоматических систем управления, оперативности и точности систем мониторинга технологического оборудования, от эффективности и быстродействия используемых систем принятия решений [1].

Техногенные объекты могут быть различной природы - химической, биологической, радиоизотопной и др. В общем случае, авария для таких объектов определяется как несанкционированное высвобождение (выброс во внешнюю среду) массы или энергии, которое причиняет или способно причинить ущерб реципиенту риска. При этом масса или энергия выступает в качестве источника аварийной опасности. Исследование особенностей вредоносных факторов и разработка эффективных мер по их ослаблению или ликвидации возможно только на основе использования математического моделирования таких объектов. Это объясняется тем, что аварийную ситуацию невозможно организовать или повторить. Математическая модель должна адекватно описывать возникновение и развитие источника опасности. Исследование модели позволяет определить условия, при которых эмиссия опасной субстанции возможна, и рассчитать параметры процесса эмиссии.

Количественная оценка уровня опасности, каковым является ущерб, традиционно представляется относительно конкретного реципиента риска и относительно конкретной меры ущерба. В качестве реципиента риска выступают представители животного мира или биотическая среда в целом. При прогнозе последствий антропогенных катастроф в качестве реципиента риска обычно выступает или человек вообще, или группа людей, выделенных в различные группы риска. Если в качестве реципиента риска выступает человек, то ущерб характеризует реакцию человека на внешнее воздействие.

Мера ущерба отражает изменения состояния здоровья человека в результате аварийного воздействия. Выбор меры ущерба, определяемый в первую очередь требованиями, предъявляемыми к прогнозированию, зависит от типа воздействия (токсическое, тепловое, механическое и т.д.) на реципиента риска при аварии или катастрофе. В качестве меры ущерба здоровью и жизнедеятельности человека может быть принят, например, определённый уровень поражения зрения, уровень заболевания органов дыхания, уровень потери трудоспособности среди выделенных групп населения и т. д. Часто в качестве меры ущерба выбирается летальный исход (этическая сторона выбора меры ущерба здесь не рассматривается). В практике прогнозирования выбор меры ущерба ограничен имеющимся статистическим материалом по связи между уровнем воздействия и реакцией реципиента риска на воздействие [2,3].

Некоторые характеристики ущерба, которые используются при прогнозировании последствий химических аварий, приведены в работе [4].

Анализ уровня аварийной опасности техногенного объекта принято проводить в следующих ситуациях: при размещении (строительстве) техногенных объектов на определенной территории; при выборе принципиальных схем и основных технологий, обеспечивающих приемлемый уровень безопасности жизнедеятельности человека и окружающей природной среды; при подготовке планов обеспечения безопасности жизнедеятельности человека и защиты окружающей природной среды в штатном режиме функционирования, и в случае возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций (АС и ЧС) на объекте.

Сценарии возникновения и развития аварийных ситуаций представляют собой последовательность возможных характерных событий, ведущих к утечке токсичных, пожаро- и взрывоопасных веществ. Среди них можно выделить две основных группы инициаторов аварийных ситуаций - внутренние события и внешние. К внутренним относятся такие события, источником которых служат технологические операции и технологическое оборудование, например,скрытые дефекты оборудования, разрыв трубопровода, разрушение емкостей с химически опасными веществами, ошибки операторов и т.д. К внешним относятся события, первопричина которых находятся вне самого химико-технологического процесса, например, падение самолёта на объект при авиационной катастрофе.

Кроме этого, весь спектр возможных аварий можно разделить на две группы, которые принято называть «проектными» и «запроектными».

К «проектным авариям» относятся такие ситуации, которые в случае их возникновения не приводят к аварии т.к. заранее запланированы дополнительные организационные и технические мероприятия по их нейтрализации. Как правило, это аварийные ситуации, причиной которых являются различного рода отказы оборудования (внутренние события). Для снижения вероятности и возможных масштабов таких аварий в типовую проектную и технологическую документацию вносят определённые дополнения, предусматривается установка различного рода блокирующих, сигнальных и других систем.

К «запроектным» относятся аварии, не вошедшие в первую группу. Причинами таких аварий служат в основном внешние непредсказуемые заранее события - различного рода стихийные бедствия (землетрясение, тайфуны, ураганы и т.д.) или непрогнозируемые последствия человеческой деятельности (взрывы, крупные пожары и пр.). Возможность снижения вероятности их возникновения учитывается в основном за счёт таких организационных мероприятий, как выбор площадки для размещения объекта (например, в сейсмически неактивной зоне). В проектной и технологической документации возможность возникновения таких аварий не находит своего отражения, поэтому такие аварии принято называть «запроектными».

Вероятность возникновения проектных аварий гораздо выше, чем аварий запроектных. Однако масштабы запроектных аварий в случае их возникновения гораздо больше, чем масштабы проектных, так как при малой частоте их появления они обладают гораздо большей разрушительной силой. Причём, по упомянутым выше причинам, на техногенных объектах не предусматривается введение элементов и систем, предназначенных для противостояния или ограничения этой разрушительной силы.

Анализ возможных сценариев аварийных ситуаций на техногенных объектах химических производств, приводящих к выбросам токсичных химических веществ (ТХВ) в атмосферу с образованием облака зараженного воздуха (ОЗВ) (запроектные аварии), показывает, что основными вариантами сценариев могут быть [5]: высокотемпературные выбросы ТХВ, которые по времени протекания могут быть кратковременными и продолжительными (взрывы, пожары); пролив больших количеств ТХВ на различные поверхности с последующим испарением.

Чрезвычайные ситуации сопровождаются не только материальными, но и людскими потерями, поэтому в этих условиях очень важно быстро и правильно принять решение по минимизации их последствий. При этом процесс принятия решений по локализации ЧС (особенно на первоначальной стадии развития) характеризуется неполнотой и недостоверностью информации, малым резервом времени, имеющимся для принятия решений.

Таким образом, объектами научных исследований должны быть не только сама чрезвычайная ситуация, ее характеристики и свойства как объекта управления, но и процесс организации управления в условиях ЧС, и обеспечения информационной поддержки принятия решений [6].

Для принятия решений в условиях чрезвычайных ситуаций необходимо исследовать сам объект как сложный динамический объект, его характеристики и свойства как объекта управления, процесс организации управления в условиях чрезвычайных ситуаций, а также разработать основы создания систем информационной поддержки при принятии решений в условиях чрезвычайных ситуаций на основе математического моделирования.

Целью настоящего исследования является решение актуальной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке научно обоснованных технических решений для поддержки принятия оперативных управленческих решений в условиях чрезвычайных ситуаций и применение полученных результатов для решения практических задач, связанных с локализацией последствий чрезвычайных ситуаций, возможных на объектах хранения и уничтожения химического оружия (ОХУХО).

В основу решения проблемы минимизации последствий от аварий на таких техногенных объектах положены результаты работ ОАО «Редкинское опытно-конструкторское бюро автоматики» и ФГУП ГосНИИОХТ при выполнении Федеральной целевой программы «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации», утвержденной постановлением правительства РФ №510 от 5 июля 2001 г. Автор диссертационный работы принимал непосредственное участие в выполнении указанных исследований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Матвеев, Юрий Николаевич

3. Выводы:

3.1. Рекомендовать результаты исследований для выполнения ОКР по разработке автоматизированного рабочего места поддержки принятия решения (АРМ ППР) организации ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на объектах хранения и уничтожения химического оружия «Марадыковский», «Камбарка», «Кизнер», «Почеп», «Леонидовка», «Щучье».

3.2. Анализ сигналов датчиков объекта мониторинга на наличие аномалий, свидетельствующих о потенциальном присутствии зарождающихся и развивающихся дефектов технологического оборудования, содержащего движущиеся узлы, проводить без использования дополнительного оборудования.

3.3. Адаптировать с минимальными временными и материальными затратами алгоритм детектирования аномальных признаков для применения на разнотипном технологическом оборудовании.

Председатель комиссии:

Главный инженер - Рыбак Н.М.

Члены Комиссии:

Заместитель генерального директора - Рознов В.И.

Начальник участка - Квасов Ю.Н. Старший производитель работ - Болсанов Ю.И,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе сформулирована и решена актуальная научно-техническая проблема, состоящая в дальнейшем развитии теории математического моделирования аварийных и чрезвычайных ситуаций для техногенных объектов, методов оценки состояний процессов с учетом фактора неопределенности параметров, методов и алгоритмов теории статистических решений и позволяющая осуществить интеллектуализацию ряда функций АСУТП и АСУП объектов уничтожения химического оружия. Получены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, а именно:

1. Новый метод определения зарождающихся дефектов технологического оборудования, которые могут вызвать возникновение аварийных ситуаций при уничтожении химического оружия, основанный на поиске закономерностей в трендах величин параметров технологических процессов в режиме реального времени.

2. Алгоритм детектирования аномальных информативных признаков в установившихся и динамических режимах технологических процессов, использующий принципы метода "Гусеница" и реализующий особый режим обработки данных - "режим скользящего анализа".

3. Стратегия ведения глобальной библиотеки шаблонов, обеспечивающая компромисс между оперативностью детектирования признаков (шаблонов) и вероятностью ложного срабатывания детектора аномальных признаков, а также стратегия обоснования и выбора длины "гусеницы" для адаптации разработанного метода в конкретных условиях его применения.

4. Новый оригинальный метод получения количественно обоснованных вариантов принятия решений по оперативному управлению локализацией чрезвычайных ситуаций на объектах хранения и уничтожения химического оружия, учитывающий случайный характер изменения входных переменных математических моделей процессов образования и распространения в атмосфере облака зараженного воздуха и основанный на имитационном моделировании, теории статистических решений и последовательном анализе Вальда.

5. Метод последовательной коррекции численных значений характеристик опасной зоны загрязнения местности, предоставляющий лицу, принимающему решение, необходимую информацию для оперативного управления по пессимистическому и оптимистическому варианту чрезвычайной ситуации.

6. Способ повышения достоверности количественных оценок характеристик опасной зоны загрязнения, основанный на замене точечных оценок в п-мерном евклидовом пространстве на интервальные оценки, позволяющий значительно уменьшить фактор неопределенности при принятии решений в условиях чрезвычайных ситуаций на объектах хранения и уничтожения химического оружия.

7. Научно-технические решения для создания автоматизированной системы контроля технической безопасности уничтожения химического оружия, основанные на использовании математических моделей процессов образования и распространения облака зараженного воздуха, методов теории информационных систем, теории принятия решений и средств вычислительной техники.

8. Научные положения метода определения зарождающихся дефектов технологического оборудования и метода последовательной коррекции численных значений характеристик опасной зоны заражения включены как типовые проектные решения в математическое, алгоритмическое и программное обеспечение программно-технического комплекса автоматизированной системы поддержки принятия решений при локализации чрезвычайных ситуаций и внедрены на объектах хранения и уничтожения химического оружия «Горный», «Камбарка», «Кизнер», «Марадыковский», «Щучье», «Леонидовка», «Почеп».