Глава 1. Элементы системной инженерии. . 5

МУРОМСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

Государственного образовательного учреждение высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет»

 

Системный анализ и моделирование

процессов в техносфере

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому проектированию

 

 

для специальности 280101.65

«Безопасность жизнедеятельности в техносфере»

 

Составители:   Середа С.Н. Соловьев Л.П. Афанасьева О.В.

 

 

Муром, 2008 г.

 

УДК 681.3 (076)

ББК 32.97 я 7

С32

Рецензент

доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности

Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета

Р.В. Шарапов

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Муромского института ВлГУ

С32 Системный анализ и моделирование процессов в техносфере: метод. указания к курсовому проектированию / сост.: С.Н.Середа, Л.П. Соловьев, О.В. Афанасьева. – Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2008.– 98 с.

Методические указания предназначены для выполнения практических, лабораторных, курсовых и дипломных работ, содержащих задачи по прогнозированию и моделированию развития негативных ситуаций в среде обитания и техносфере.

Методические указания могут использоваться по следующим дисциплинам: системная инженерия производственной безопасности, системный анализ и моделирование в техносфере, безопасность в чрезвычайных ситуациях, радиационная безопасность, системы защиты среды обитания, а так же в дипломном проектировании.

Указания содержат информацию об элементах системной инженерии безопасности, моделях и методах прогнозирования происшествий, моделях и методах оценки техногенного ущерба, а так же методику моделирования.

В основу методический указаний положен материал монографии Белова П.Г. «Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере»

 

УДК 681.3 (076)

ББК 32.97 я 7

С32

ã Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования

«Владимирский государственныйуниверситет»,2008

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 4

Глава 1.ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМНОЙ ИНЖЕНЕРИИ.. 5

БЕЗОПАСНОСТИ.. 5

1.1. Причины и факторы аварийности и травматизма. 5

1.2. Энергоэнтропийная концепция опасностей. 6

1.3. Классификация существующих опасностей. 7

1.4. Категории системной инженерии безопасности. 8

1.5. Принципы и методы обеспечения безопасности. 9

1.6. Цель и показатели системы обеспечения безопасности. 10

1.7. Особенности моделирования опасных процессов. 12

Глава 2. 14

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОИСШЕСТВИЙ.. 14

2.1. Общие принципы прогнозирования техногенного риска. 14

2.2. Построение "деревьев" происшествия и его исходов. 16

2.3. Качественный анализ моделей типа "дерево". 19

2.4. Количественный анализ диаграмм типа "дерево". 24

Глава 3. 30

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО УЩЕРБА.. 30

3.1. Принципы априорной оценки техногенного ущерба. 30

3.2. Методы прогноза вероятности причинения ущерба. 33

3.3. Методы прогнозирования размеров зон поражения. 36

3.4. Методы прогноза концентрации вредных веществ в зонах. 43

3.5. Методы прогноза полученных людьми токсодоз. 50

3.6. Особенности оценки ущерба людям и биоресурсам. 53

Глава 4. 62

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ.. 62

4.1. Методика комплексного прогноза техногенного риска. 62

4.2. Иллюстративные модели типа «дерево». 67

4.3. Иллюстрация качественного и количественного анализа. 72

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 80

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 81

ЛИТЕРАТУРА.. 97

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность проблемы обеспечения безопасности особенно возрастает на нынешнем этапе развития производительных сил, когда из-за трудно предсказуемых генетических и экологических последствий отдельных происшествий поставлено под сомнение само существование человека. Однако объективно рассматриваемая проблема становится все более острой не в результате имевших место катастроф, а как неизбежное следствие происходящей научно-технической революции. Она является следствием обострения противоречий между новыми средствами производства и традиционными способами их использования и устаревшим отношением людей к биосфере, как неисчерпаемой кладовой ресурсов.

Как свидетельствуют данные, последние 20 лет прошлого века принесли 56%, а одни лишь 80-е годы 33% от наиболее крупных происшествий в промышленности и на транспорте. Самые известные из них произошли в Севезо (Италия), Фликсборо (Великобритания), Базеле (Швейцария), Хамме (ФРГ), Тримайл Айленде (США), Бхопале (Индия) и Чернобыле (СССР).

Считается, что ущерб от аварийности и травматизма достигает 10-15% от валового национального продукта промышленно развитых государств, а экологическое загрязнение окружающей природной среды и несовершенная техника безопасности являются причиной преждевременной смерти 20-30% мужчин и 10-20% женщин

Особенно остро обозначилась данная проблема в нашей стране. Ежегодно наблюдается рост уровня пострадавших на производстве, количества крупных железнодорожных и автомобильных катастроф. По сообщению Министра РФ по чрезвычайным ситуациям, в России сейчас имеется 142 радиационно опасных ядерных реактора на АЭС, 3300 химически опасных производств, 8000 пожаро-, взрывоопасных производств и 550000 км газо-, нефте- и продуктопроводов. Совокупное ежегодное число техногенных аварий и катастроф на них измеряется сотнями.

Сложившаяся кризисная обстановка в вопросах аварийности, травматизма и профзаболеваний объясняется не только низкой культурой безопасности и технологической недисциплинированностью людей, но и конструктивным несовершенством используемого нами промышленного и транспортного оборудования. Согласно исследованиям, лишь 6°/о выпускаемой продукции полностью удовлетворяет существующим требованиям по безопасности. Из проверенных, например, 31 вида оборудования 27 превысили установленные нормы по вибрациям, пыле- и шумообразованию: при этом отдельные их них превосходили нормы по вибрациям в 2,4 раза, а по шуму - в 20 раз.

Данная работа содержит методические рекомендации по исследованию и совершенствованию безопасности с помощью диаграмм причинно-следственных связей - дерева происшествий и дерева событий. При этом безопасность интерпретируется функциональным свойством систем «человек-машина-среда», а формулируемые принципы базируются на единой энергоэнтропийной концепции аварийности и травматизма.

БЕЗОПАСНОСТИ

Глава 2.

Глава 3.

Глава 4.

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ

Принятая энергоэнтропийная концепция (см. главу 1), а также приведенные выше рекомендации по прогнозированию про­исшествий при проведении опасных процессов (глава 2) и ущерба от них (глава 3) позволяют сформулировать типовую методику априор­ной количественной оценки техногенного ущерба и проиллюстриро­вать ее работоспособность на конкретных примерах. Одна из воз­можных процедур прогноза техногенного риска, связанного с дея­тельностью отдельных производственных и транспортных объектов, подробно рассматривается ниже.

 

Построение графика

Значение M_t[Y] выбираем согласно таблице П. 4.6. (Последствия происшествий на оборудовании).

Ожидаемые средние затраты на обеспечение безопасности проводимых работ — М_t [S] изменяем в пределах ±30% с шагом 10% минимум. Каждое из полученных значений подставляем в формулу (3.47) и получаем значения параметра затрат С с учетом вероятности невозникновения происшествия.

Математическое ожидание величины ущерба от аварийности и травматизма M_t[Y] варьируем в тех же пределах ±30% и шагом. Затем поочередно подставляем M_t[Y] и М_t [S] в формулу (3.46), причем сначала оставляя неизменным среднее значение М_t [S], меняя лишь M_t[Y], а затем наоборот, при постоянном среднем M_t[Y] меняем М_t [S].

Далее воспользуемся формулами (3.43) и (3.42), где P_d(t) заменяем на P_d^*(t), рассчитанные нами ранее.

Рассмотренные постановка и решение задачи нормирования уровня безопасности — обоснования оптимального по суммарным издержкам значения вероятности выполнения работ без происшествий проиллюстрированы на рис. 3.4.

 

Рис. 3.4 Графическая интерпретация задачи

 

Данная прямая будет смещаться вправо — по мере снижения затрат М_t[S] или увеличения ущерба M_t[Y], что равносильно уменьшению С и увеличению Y соответственно.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Данная работа помогает устранить дефицит в учебно-методической литературе по системному обучению, оценке обеспечению, совершенствованию производственно-экологической безопасности и будет полезна соответствующим специали­стам. Тем более, что в ней изложен наиболее перспективный под­ход к решению данной проблемы, основанный на моделировании опасных процессов в техносфере.

Конечно, изложенные рекомендации не во всех случаях представляются как завершенные и дающие достаточно точные про­гнозы техногенного риска. Не все из них проиллюстри­рованы конкретными примерами - в силу трудоемкости соответст­вующих расчетов и необеспеченности ресурсами. Большинство этих и других возможных издержек работы вызваны сложностью рассмат­риваемых человекомашинных систем и недостаточной достоверно­стью имеющихся данных об их количественных параметрах.

Несмотря на трудоемкость системного подхода к моделирова­нию опасных процессов в техносфере, именно он позволяет поста­вить решение рассматриваемой проблемы на действительно науч­ную основу. Без системного подхода трудно на­деяться также на успех в декларировании безопасности и страхова­нии опасных производственных и транспортных объектов.

Именно системный подход к моде­лированию опасных процессов в техносфере является необходимым условием решения столь актуальной ныне проблемы, связанной с производственно-экологической безопасностью.

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

П1. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ О БЕЗОШИБОЧНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

 

Таблица П1.1.

Экспериментальные характеристики безошибочности среднестатистического человека

Наименование функциональных действий	Вероятность безошибочного выполнения
Обнаружение и декодирование сигнала	0,9700-0,9999
Поиск органов управления и осуществление заданного управляющего воздействия	0,9610-0,9850
Обнаружение сигнала и принятие решения	0,9380-0,9780
Прием информации, ее оценка и принятие решения о работоспособности контролируемых подсистем: - число воспринимаемых признаков 3-5, задержка во времени их появления 10-12 с - число воспринимаемых признаков 5-6, задержка во времени их появления 15-40 с - число воспринимаемых признаков 1-2, задержка во времени их появления 10-12 с	0,8750-0,9950   0,4470-0,7830   0,8550-1,0000
Считывание показаний стрелочного прибора: - одношкального - двушкального	0,9900-0,9960 0,9850-0,9900
Проверка логического условия типа "ИЛИ"	0,9960
Нажатие кнопки	0,9985-0,9999
Считывание информации с табло	0,9950-0,9995
Включение тумблера	0,9990-0,9995
Простые реакции по преобразованию информации (реакция прямого запоминания, оперативное запоминание)	0.9995
Выдача или прием речевой команды	0,9998
Поворот переключателя	0,9975-0,9990
Снятие показаний с прибора: - с круговой шкалой	0,9952-0,9999
- электросчетчика	0,9985-0,9995
- шильдика	0,9985-0,9999
- с линейной шкалой	0,9975-0,9980
- с полукруглой шкалой	0,9933-0,9975

 

Продолжение Табл. П1.1.

 

Наименование функциональных действий	Вероятность безошибочного выполнения
Выполнение действия с помощью: - штурвала	0,9965-0,9980
- ручки управления	0,9936-0,9995
- маховичка	0,9994-0,9999
- съемного рычага (ключа)	0,9920-0,9990
Выполнение действий по:
- соединению кабеля	0,9986-0,9998
- рассоединению кабеля	0,9995-0,9999
- установке штифта	0,9989-0,9998
- открытию вентиля	0,9980-0,9995
- подсоединению шланга	0,9955-0,9970
- настройке прибора	0,9920-0,9965
- установке уплотнения	0,9910-0,9945
- установке штекера	0,9970-0,9985
Выполнение пункта должностной инструкции	0,9915-0,9955
Перемещение человека по:
- монтажной площадке	0,9990-0,9995
- временному настилу	0,9940-0,9975
Использование средств защиты: - страховочного пояса	0,9940-0,9980
- переносного заземления	0,8500-0,8900
- съемных ограждений	0,7500-0,8500
Выполнение управляющих воздействий простейшего типа:
- левой рукой	0,030
- правой рукой	0,017
- обеими руками	0,018 - 0,021
- двумя пальцами	0,027
- четырьмя пальцами	0,040
- поворотом руки	0,091

 

Таблица П.2.1.

 

Диапазоны изменения безошибочности человека (интенсивности ошибок)

Характер ошибочных действий	Диапазон изменений, 1/действие
Ошибки выборов органов управления отличающихся по форме и расположению	7×10^-5- 7×10^-4
Ошибки при выборе органа управления из других, одинаковых по форме	5×10^-4- 5×10^-3
Неверное считывание показаний измерительных приборов	7×10^-4- 3×10^-3
Не приведение оборудования в исходное положение	5×10^-4- 6×10^-3
Ошибки при выполнении арифметических действий	7×10^-3- 4×10^-2
Неверное диагностирование состояния элементов при сбоях средств индикации	2×10^-2- 2×10^-1
Пропуск ошибок людьми эпизодического контроля	2×10^-2- 4×10^-1
Пропуск элементов, находящихся в не установленном положении	7×10^-2- 7×10^-1
Ошибки в состоянии стресса под воздействием очевидной опасности	5×10^-2- 2×10^-1
Ошибки человека в течение первых 60 сек. после воздействия сильного стресс фактора	7×10^-1- 1
Те же ошибки спустя 5 мин. после стресса	2×10^-1- 6×10^-1
Те же ошибки спустя 30 мин. после стресса	10^-1- 4×10^-1
Те же ошибки спустя несколько часов	5×10^-3- 6×10^-2
Ошибки по прошествии одной недели после воздействия сильного стресс фактора	5×10^-4- 5×10^-3

 

Примечание: выбор значений интенсивностей ошибок из указанных диапазонов производится в зависимости от сложности пультов, количества элементов индикации, сложности алгоритма операторских действий, уровня стрессовых воздействий и т.п.

 

П.2. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ О БЕЗОТКАЗНОСТИ ТЕХНИКИ

Таблица П2.1

Таблица П.2.2

Таблица П.4.3

Энергетическое содержание тканей биоты, кДж/кг

Биологические объекты	qk	Биологические объекты	qk
Амфибии	17,17	Птицы	23,32
Беспозвоночные	21,00	Рептилии	19,68
Водоросли	20,58	Ракообразные	17,80
Млекопитающие	20,43	Рыбы	22,15
Моллюски	20,28	Семена растений	21,84
Наземные растения	18,90	Черви	22,11
Насекомые	22,68	Яйца птиц	23,75

 

Таблица П4.4.

Коэффициенты аллометрического уравнения, кДж/сут×кг

Группа биоособей	с	d	Группа биоособей	с	d
Амфибии	0,035	0,66	Моллюски	0,020	0,74
Птицы воробьиные	4,184	0,68	Личинки водные	0,031	0,82
Птицы другие	2,560	0,72	Морские животные	0,025	0,60
Змеи	0,034	0,86	Черви хордовые	0,061	0,82
Млекопитающие	1,855	0,74	Губки	0,029	0,75
Рыбы	0,144	0,81	Иглокожие	0,035	0,70
Ракообразные	0,065	0,76	Пиявки	0,052	0,82

 

 

Таблица П4.5.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха // Под ред. А.Я. Прессмана и А.С. Монина. Пер с англ. М.: Изд. ин. лит. 1962. -512 с.

2. Атмосферная турбулентность и моделирование распростране­ния примесей // Под ред. Ф. Ньюстада и Х. Ван Допа. Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат. 1985. - 351 с,

3. Бейкер У. и др. Взрывные явления. Оценка и последствия // Пер. с англ. М.: Мир, 1986. ч. 1,2. - 386 с.

4. Белов П.Г Теоретические основы системной инженерии безо­пасности. М.: ГНТП "Безопасность", 1996. К: КМУ ГА, 1997.-424 с.

6. Гвардейцев М.И. и др. Математическое обеспечение управле­ния. Мера развития общества. М.: Радио и связь. 1996.

7. Гельфанд Б.Е. Физика и химия штатных и аварийных чрезвы­чайных ситуаций // В кн. Безопасность России. Функционирование и развитие сложных народнохозяйственных, технических, энергетиче­ских, транспортных систем, систем связи и коммуникаций. М.: Зна­ние. 1998. С. 145-206

8. Горский В.Г, Швецова-Шиловская Т.Н., Курочкин В.К. Математи­ческие модели переноса поллютантов // В сб. Перспективы развития экологического страхования в газовой промышленности. М.;ВНИИ Газ. 1998. С. 173-201.

9. Горский В.Г., Швецова-Шиловская Т.Н., Курочкин В.К., Терещен­ко Г.Ф. Модели поглощения при токсических авариях, приводящих к загрязнению атмосферы // В сб. научи. Трудов ВНИИ Газ. 1999.

10. Дюбуа Д, Прад Т. Теория возможностей. Приложения к пред­ставлению знаний. Пер с франц. М.:Радио и связь, 1990. - 288 с.

11. Едигаров А.С. Прогнозирование зон воздействия при авариях на объектах газовой промышленности методом математического моделирования нестационарных термогазодинамических и массообменных процессов. Диссертация на соискание ученой степени докто­ра технических наук. М.: ВНИИ Газ. 1996. - 428 с.

14. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей // В сборнике методик №1, с. 5-83. М.: Госгортех-надзор РФ. 1999. -112 с.

15. Методика оценки последствий химических аварий "Токси" - 2-я редакция от 19.11.1998 г. // В том же сборнике, с. 85-112.

16. Методические рекомендации по определению платы за выбро­сы (сбросы, размещение) загрязняющих веществ в природную среду. РД Госкомприроды СССР от 27.12. 1990 г.

17. Морозов В.Н. Прогнозирование последствий аварийных взры­вов. Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 1996, №10. С. 72- 84.

20. Сафонов B.C., Одишария Г.Е.. Швыряев А.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. М„ 1998. - 208 с.

21.Теория и информационная технология моделирования безо­пасности сложных систем // Рябинин И.А. и др. -Сп.Петербург, 1994. -84 с.

22. Усманов С.М. Радиация опасная и безопасная. Уфа: Китал. 1999. -192 с.

24. Шавыкин Н.А., Петрухин Б.П., Жидомирова Е.М. Методы оцен­ки безотказности технических средств. Препринт. М: ИПУ РАН, 1998.

Учебное издание

 

Системный анализ и моделирование

процессов в техносфере

Методические указания

к курсовому проектированию

Ответственный за выпуск

зав. кафедрой Прикладной математики и информатики

кандидат технических наук, доцент

Сергей Николаевич Середа

 

Составители:

Середа Сергей Николаевич

Соловьев Лев Петрович

Афанасьева Ольга Викторовна

 

Редактор Корректор Вёрстка Дизайн обложки

В.В. Костылёв Ю.Ю. Смирнова А.С. Соснов Ю.Ю. Смирнова

 

 

Подписано в печать 27.04.2007. Формат 60x80 1/16.

Бумага для множит. Техники. Гарнитура Таймс. Печать офсетная.

Усл. печ.л. 5,81. Уч.-изд.л. 6,31. Тираж 100 экз. Заказ № 1075.

Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет»

Издательско-полиграфический центр

Адрес: 602264, Владимирская обл., г. Муром, ул. Орловская, 23

E-mail: [e-mail]

 

 

МУРОМСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

Государственного образовательного учреждение высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет»

 

Системный анализ и моделирование

процессов в техносфере

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовому проектированию

 

 

для специальности 280101.65

«Безопасность жизнедеятельности в техносфере»

 

Составители:   Середа С.Н. Соловьев Л.П. Афанасьева О.В.

 

 

Муром, 2008 г.

 

УДК 681.3 (076)

ББК 32.97 я 7

С32

Рецензент

доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности

Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета

Р.В. Шарапов

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Муромского института ВлГУ

С32 Системный анализ и моделирование процессов в техносфере: метод. указания к курсовому проектированию / сост.: С.Н.Середа, Л.П. Соловьев, О.В. Афанасьева. – Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2008.– 98 с.

Методические указания предназначены для выполнения практических, лабораторных, курсовых и дипломных работ, содержащих задачи по прогнозированию и моделированию развития негативных ситуаций в среде обитания и техносфере.

Методические указания могут использоваться по следующим дисциплинам: системная инженерия производственной безопасности, системный анализ и моделирование в техносфере, безопасность в чрезвычайных ситуациях, радиационная безопасность, системы защиты среды обитания, а так же в дипломном проектировании.

Указания содержат информацию об элементах системной инженерии безопасности, моделях и методах прогнозирования происшествий, моделях и методах оценки техногенного ущерба, а так же методику моделирования.

В основу методический указаний положен материал монографии Белова П.Г. «Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере»

 

УДК 681.3 (076)

ББК 32.97 я 7

С32

ã Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования

«Владимирский государственныйуниверситет»,2008

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 4

Глава 1.ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМНОЙ ИНЖЕНЕРИИ.. 5

БЕЗОПАСНОСТИ.. 5

1.1. Причины и факторы аварийности и травматизма. 5

1.2. Энергоэнтропийная концепция опасностей. 6

1.3. Классификация существующих опасностей. 7

1.4. Категории системной инженерии безопасности. 8

1.5. Принципы и методы обеспечения безопасности. 9

1.6. Цель и показатели системы обеспечения безопасности. 10

1.7. Особенности моделирования опасных процессов. 12

Глава 2. 14