В связи с ростом темпов промышленного производства и использования природных ресурсов, как наблюдающееся в настоящий момент, так и прогнозируемое в будущем предъявляет дополнительные требования к уровню безопасности техногенных и природных систем.
Часть промышленных потенциально-опасных объектов создано по устаревшим технологиям, и не соответствует современным требованиям промышленной безопасности и устойчивости при возникновении чрезвычайных ситуаций. При этом широко распространено проектирование и строительство промышленных объектов в непосредственной близости от потребителей, по этой причине, как в крупных городах, так и на подъездах к ним появляется все больше потенциально-опасных объектов.
В этой связи особую актуальность приобретает вопрос оценки состояния природных и техногенных потенциально-опасных объектов на основе:
– формирования информационной модели потенциально-опасного объекта;
– формирования методики прогнозирования изменения состояния потенциально-опасного объекта;
– анализа возможных признаков назревающей природной или техногенной катастрофы с учетом определения ограниченности методик качественной и количественной оценки безопасности и применения теории нечетких множеств для описания состояния потенциально-опасных природных и техногенных объектов.
Потенциально-опасные объекты необходимо рассматривать как открытые системы, поскольку их связи со средой имеют первостепенное значение при их моделировании, описании и мониторинге с целью повышения безопасности функционирования.
К открытым системам относятся системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией, импульсом и информацией). К наиболее важному типу открытых систем относятся системы, в которых непрерывно протекают процессы взаимодействия, при этом происходит поступление вещества (энергии, импульсов и информации) извне, а продукты взаимодействия отводятся [1…3].
Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному максимальному значению, а производство энтропии – к нулю. В отличие от замкнутой системы, в открытых системах возможны стационарные состояния с постоянным производством энтропии, которая должна при этом отводиться от системы.
Наиболее интересные свойства открытых систем выявляются при нелинейных процессах. При таких процессах в открытых системах возможно осуществление устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, т.к. её существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой.
Также в открытых системах при накоплении продуктов активного взаимодействия могут наблюдаться явления приводящие систему в целом к выходу из равновесного состояния и переходу ее в «аварийный» режим функционирования [3…5].
Теория открытых систем важна для понимания процессов, происходящих на потенциально-опасных объектах, т.к. данные объекты представляет собой открытую систему, обладающую высокой степенью организации. Подход к потенциально-опасным системам как к открытым системам, в которых протекают нелинейные взаимодействия с окружающей средой, открывает новые возможности для исследования процессов возникновения аварийных ситуаций и их перехода в чрезвычайные ситуации.
В этой связи представляется актуальным исследование потенциально-опасных систем для решения общих проблемы регулирования и оптимального функционирования.
Наряду с понятием «открытая система», применительно к потенциально-опасным объектам, представляет интерес рассмотрения вопросов «информационных потоков» данных объектов.
Под информационным потоком (рисунок 1), применительно к потенциально-опасным объектам, следует понимать совокупность сообщений, циркулирующих внутри объекта в частности и окружающей среды в целом, а также связи между объектом и средой, внешней по отношению к нему, необходимых для управления и контроля безопасности.
В качестве моделей взаимодействия различных компонентов, составляющих сложную систему, в том числе потенциально-опасный объект, предложено использовать ориентированные графы, или орграфы. Орграфы могут отображать механизм взаимодействия и, кроме того, производить оценочные расчеты [6].
При помощи приведенных выше подходов и моделей (в основном качественного анализа безопасности) возможно выделение потенциально-опасных объектов и основных составляющих, определяющим образом влияющих на безопасность их функционирования. Количественная оценка безопасности потенциально-опасных объектов возможна на основе использования критериев отнесения аварий и опасных природных процессов к чрезвычайным ситуациям.
При определении информационной модели и выявлении математических моделей перехода к чрезвычайной ситуации на потенциально-опасных объектах возникает вопрос об адекватности использования существующих методик и подходов. Для решения данного вопроса проведен анализ существующих методик и нормативно-технической документации в области устойчивости природных и техногенных объектов к негативным (разрушающим) воздействиям.
Так, в ГОСТ Р 12.3.047–98 [7], приведены степени повреждения зданий и сооружений от воздействия избыточного давления при взрывах (таблица 1).
Таблица 1
Степень повреждения от воздействия избыточного давления при взрывах
|
Степень повреждения |
Избыточное давление, кПа |
|
Полное разрушение зданий |
100 |
|
50 %-ное разрушение зданий (сильное повреждение) |
53 |
|
Средние повреждения зданий |
28 |
|
Умеренные повреждения зданий (слабое повреждение) |
12 |
Однако приведенные в таблице 1 значения степени повреждения от воздействия избыточного давления при взрывах не учитывают устойчивость потенциально-опасных объектов (зданий, сооружений и т.д.) к воздействию воздушной ударной волны в зависимости от типа сооружения [8].
Реакция сооружения на динамические воздействия типа взрывных волн и ударов существенно связана с отношением длительности воздействия и характерного времени (релаксации) объекта Результат воздействия ударной волны на различные конструкции зависит от избыточного давления на фронте волны и удельного импульса, а также от жесткостных, массовых и прочностных параметров конструкции.
Для комплексной оценки воздействия поражающих факторов на здания и сооружения перейдем к оценке зоны совместного влияния нескольких поражающих факторов.
Действие взрыва характеризуется рядом поражающих факторов. Однако эффективность каждого из этих факторов оценивают несколькими параметрами. Например, поражающее действие ударной волны определяется давлением и импульсом.
Использование качественных методов оценки на первом этапе анализа опасности потенциально-опасного объекта позволяет выявить элементы, аварии на которых могут привести к отказу всей системы. Количественные методы оценки опасности потенциально-опасного объекта позволяют определить величину (степень) вероятности возникновения аварийных или чрезвычайных ситуаций. Однако данным методам, не смотря на их доступность и широкое применение присущ ряд ограничений, одним из основных является то, что при анализе безопасности системы определяется один элемент или значение, которое далее рассматривается как универсальное для всех объектов данного типа. При этом не учитывается комплексное влияние внешних и внутренних факторов объекта (параметров системы), что отражается на адекватности полученных результатов оценки безопасности работы рассматриваемого потенциально-опасного объекта.
Особенность анализа техногенного риска заключается в том, что в ходе его оценки рассматриваются негативные последствия, которые могут возникнуть в результате отказа в работе технических систем, сбоев в технологических процессах или ошибок со стороны обслуживающего персонала.
Так, в качестве примера потенциально-опасного объекта, получающего все большее распространение, рассмотрим оснащение газобаллонным оборудованием автотранспортных средств.
Установка газобаллонного оборудования создает опасность возникновения пожара. При утечке газа создается опасность образования взрывоопасных концентраций топливно-воздушной смеси, что при наличии источника инициирования взрыва может обусловить взрыв топливно-воздушной смеси и создать условия для дальнейшего развития чрезвычайной ситуации.
Сценарий чрезвычайной ситуации: в результате разгерметизации газобаллонного оборудования, произошел взрыв автотранспортного средства, тем самым, данная аварийная ситуация привела к разрушению стен близлежащих зданий и сооружений. В этой связи необходимо оценить последствия чрезвычайной ситуации.
Таким образом, методика оценки состояния природных и техногенных потенциально-опасных объектов включает:
– информационную модель потенциально-опасного объекта определенную на основании теории открытых систем с рассмотрением и последующим анализом информационных потоков при помощи ориентированных графов;
– методику прогнозирования изменения состояния потенциально-опасного объекта сформированную на основе математических моделей, описывающих закономерности возникновения чрезвычайных ситуаций;
– анализ возможных признаков назревающей природной или техногенной катастрофы с учетом определения ограниченности методик качественной и количественной оценки безопасности и применения теории нечетких множеств для описания состояния потенциально-опасных природных и техногенных объектов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы».
Литература:
Шредингер, Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика / Э. Шредингер. – пер. с англ., 2 изд., М., 1972.
Гроот, С. Неравновесная термодинамика / С. Гроот, П. Мазур. – пер. с англ., М., 1964.
Гардинер, К. В. Стохастические методы в естественных науках / К. В. Гардинер. – М.: Мир, 1986.
Климонтович, Ю. Л. Статистическая теория открытых систем / Ю. Л. Климонтович. – Том.1. М.: Янус-К, 1995.
Трубецков, Д. И. Введение в теорию самоорганизации открытых систем / Д. И. Трубецков, Е. С. Мчедлова, Л. В. Красичников. – 2-е изд. – М.: Физматлит, 2005.
Бешелев, С. Д. Математико-статистические методы экспертных оценок / С. Д. Бешелев, Ф. Г. Гурвич. – М.: Статистика, 1980.
ГОСТ Р 12.3.047-98 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
Котляревский, В. А. Безопасность резервуаров и трубопроводов / В. А. Котляревский, А. А. Шаталов, Х. М. Ханухов. – М., Изд-во «Экономика и информатика», 2000.
