Общее представление о задачах, решаемых с помощью теории надежности и безопасности

На этапе проектирования сложных энергосистем основными задачами являются построение рациональной структуры и определение алгоритмов функционирования. Решение этих задач зависит от интуиции и опыта практической работы конструкторов, причем однозначное решение найти практически затруднительно. Всегда существуют альтернативные варианты построения системы, допускающие возможность модификаций. Следовательно, фактический выбор наиболее рациональной структуры системы производится путем перебора и сравнения различных вариантов.

На этом этапе важной задачей является создание простой, но достаточно точной математической модели реальной системы. Необходимая точность математической модели зависит от достоверности исходных данных, хотя их недостоверность не является основанием для отказа от проведения оценок эффективности функционирования системы, несмотря на их относительный характер. Кроме того, для сложных систем проведение сравнительных расчетов надежности весьма полезно и при полном отсутствии статистической информации, в т.ч. для случаев, когда элементы системы используются в принципиально новых режимах работы.

Рассмотрим математическую модель расчета структурной надежности, использующую аппарат алгебры логики для описания процессов функционирования сложных систем. (Алгебра логики – раздел математической логики, изучающей логические операции над высказываниями).

Повышение безопасности всегда являлось одним из приоритетных мотивов в деятельности людей. Анализ причин и хода развития происшедших аварий показывает, что независимо от времени, типа производств и региона они подчиняются определенным закономерностям.

Как правило, аварии предшествует фаза накопления каких-либо дефектов в оборудовании или отклонений от номинальных процедур ведения процесса. Длительность этой фазы может измеряться минутами или годами. Сами по себе указанные дефекты и отклонения еще не представляют угрозы, но в критический момент они играют роковую роль. Накопление подобных отклонений связано с отсутствием диагностики для наблюдения за работой отдельных элементов и с привыканием обслуживающего персонала к такого рода отклонениям.

Вторая фаза – фаза инициирующего (неожиданного, редкого) события, в результате которого система быстро (взрывным образом) попадает в опасное состояние, наносящее ущерб «большого масштаба». У людей не оказывается ни времени, ни средств для эффективных действий в эти мгновения.

Наконец, фаза развития аварии, в течение которой человеческий фактор может сыграть ключевую роль: активные и грамотные действия приведут к уменьшению ущерба, в противном случае – к его возрастанию.

Оценка риска аварий атомных электростанций привела к отказу от концепции «абсолютной» безопасности, т.к. вероятностный анализ риска конкретной АЭС, например, в США требует затрат более 2 млн. долларов и 10-20 человеко-лет.

В проблеме безопасности выходят на первый план неучтённые в теории надежности компоненты, а именно: среда, в которой функционирует система; защитные сооружения; неблагоприятные внешние воздействия; безответственные или умышленные действия людей.

При проектировании сложных энергосистем необходимо рассмотреть все множество опасных состояний и логику их возникновения, т.е. знать, как, при каких обстоятельствах могут возникнуть пожар, взрыв, разгерметизация и прочие разрушения. Это позволит принять соответствующие меры защиты, а так же разработать безопасный алгоритм управления системой.

В связи с недостатком полной и достоверной информации и невозможностью проведения полноценных экспериментов для оценки безопасности единственным выходом является составление математической модели с разработкой сценариев, включающих все возможные варианты развития аварийных ситуаций.

 

Математические модели оценки безопасности электроэнергетических систем (простейшие модели анализа, диагностики и прогнозирования техногенного риска)

В изучении вопросов обеспечения безопасности объектов и людей довольно широкое распространение получили диаграммы влияния с ветвящейся структурой и дополнительными логическими свойствами (условиями), называемые деревом событий – отказов, происшествий. Имеют следующие достоинства:

- сравнительная простота их построения;

- направленность на отражение присущих объекту, для которого они выполнены, существенных факторов и свойств;

- дедуктивный характер выявления причинно-следственных связей исследуемых явлений и процессов;

- лёгкость трансформации таких моделей, изменение композиции дерева и процесса его изучения;

- наглядность реакции изучаемого объекта (системы) на изменения.

С помощью таких диаграмм возможно достаточно качественно анализировать исследуемые объекты, довольно легко выполнять их дальнейшую формализацию и алгоритмизацию, приспосабливая их тем самым к обработке средствами вычислительной техники. Возможно применять методы статистического моделирования и количественной оценки изучаемых процессов, явлений, свойств объектов исследования.

При создании дерева главным является определение его структуры. Она складывается из следующих составляющих:

а) элементов – основного события (происшествия) и предшествующих этому событию предпосылок;

б) связей между элементами – логических условий, соблюдение которых необходимо и достаточно для возникновения основного события.

Как показывает анализ структуры дерева, основными компонентами диаграммы влияния служат узлы (вершины) и связи, характеризующие отношения между ними. В качестве узлов подразумеваются элементы моделируемых объектов: состояния, свойства, события (переменные или константы). А в качестве связей выступают работы, активности ресурсы и другие возможные взаимодействия. Связи или отношения между переменными и (или) константами в узлах диаграммы графически показывают с помощью линий, которые называются дугами или рёбрами. Каждые два узла, соединенные между собой, образуют ветвь диаграммы.

Составление деревьев специального типа, т.е. деревьев-исходов, являющихся вероятностными графами,позволяет учитывать влияние на объекты различных разрушительных воздействий, например, взрывов, излучений или разной природы полей, высвободившихся в результате происшествия. С использованием построенных диаграмм – графов, сетей, сценариев – могут быть созданы математические модели аварийности и травматизма.

Дерево (сценарий) события представляет собой неориентированный граф, являющийся связным и конечным. Каждая пара вершин в нём должна быть связанной, т.е. соединённой цепью, при этом все соединения не должны образовывать петель (циклов), когда каждый узел является общим для двух ветвей. Т.е. они должны содержать маршруты, вершины которых одновременно являются началом одних и концом других цепей.

Структура дерева (сценария) происшествия строится следующим образом. Обычно она включает размещаемое сверху одно нежелательное событие: авария, несчастный случай, катастрофа и т.д. Оно соединяется с набором предпосылок ему – соответствующих инициирующих условий – отказов, ошибок, негативных внешних воздействий, образующих цепи или ветви. Листьями на ветвях дерева происшествий служат предпосылки – это фактические инициаторы причинных цепей, рассматриваемые как постулируемые исходные события, дальнейшую детализацию которых считают нецелесообразной. В качестве узлов дерева (сценария) происшествия могут служить отдельные события или состояния, а так же логические условия их объединения – сложения, перемножения.

Определения и символы, используемые при построении дерева (сценария) происшествия:

Схема «И» (схема совпадения). Сигнал на её выходе появляется только тогда, когда на входы поступают все входные сигналы.

Схема «ИЛИ» (схема объединения). Сигнал на выходе этой схемы появляется при поступлении на какой-либо вход любого одного сигнала, или при поступлении на входы большего числа сигналов.