Задача управления безопасностью технических систем с учетом сейсмических воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Климова, Диана Викторовна

• Климова, Диана Викторовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Климова, Диана Викторовна

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.:.

Глава 1. УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ОСНОВЕ

ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ.

§1.1. Управление безопасностью промышленного объекта.

§ 1.2. Нечеткая оценка состояния промышленного объекта.

§ 1.3. Принятие решений при нечеткой исходной ситуации.

§ 1.4. Конкретизация схемы Белмана-Заде.

§ 1.5. Нечеткое управление безопасностью промышленного объекта при сейсмическом воздействии.!.

§ 1.6. Многокритериальная оптимизация управляющих мероприятий.

Выводы по главе 1.

Глава 2. ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ,

ПОДВЕРГШИХСЯ СЕЙСМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.

§2.1. Аспекты применения теории нечетких множеств в анализе повреждений технических систем.

§ 2.2. Нечеткий подход к анализу безопасности промышленного объекта.

§ 2.3. Анализ повреждений промышленного сооружения.

§ 2.4. Анализ повреждений моста.

§ 2.5. Устойчивость динамических систем, описываемых векторноматричными уравнениями.

§ 2.6. Динамическое взаимодействия поезда и железнодорожного пути при сейсмических воздействиях.

§ 2.7. Этапы анализа модели взаимодействия поезда и железнодорожного пути при сейсмических воздействиях.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ИССЛЕДОВАНИИ

БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

§3.1. Функционирование системы обработки сейсмических данных.

§ 3.2. Традиционные методы обработки данных о сейсмических возмущениях.

§ 3.3. Фрактальные свойства сейсмических процессов.

§ 3.4. Стохастические показатели анализа сейсмического воздействия.

§ 3.5. Методика фрактального анализа безопасности при сейсмических воздействиях.

§ 3.6. Фрактальный анализ представительского набора акселерограмм

§ 3.7. Использование методики фрактального анализа для оценки элемента технической системы.

Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Задача управления безопасностью технических систем с учетом сейсмических воздействий»

Актуальность темы и обзор литературы. Выбор темы и актуальность диссертационного исследования обусловлены необходимостью разработки методов управления безопасностью эксплуатации сложных технических систем с учетом сейсмических воздействий.

Значительная территория Российской Федерации относится к зонам повышенной сейсмичности. На сегодняшний день в России функционирует свыше 2,5 тысяч химически опасных объектов, более 1,5 тысяч радиационно-опасных объектов, около 8 тысяч пожаро- и взрывоопасных объектов, более 30 тысяч гидротехнических сооружений. Общий уровень сейсмобезопасности значительно ниже допустимого предела и преобладает тенденция его постоянного снижения. Опасность разрушения промышленных объектов многократно усиливается в случае возникновения землетрясений. Снижение опасности возникновения аварийных ситуаций на промышленных объектах является важной задачей управления безопасностью. В связи с этим возникает необходимость контроля безопасности промышленных объектов на основе принятия управленческих решений с учетом мониторинга и обработки информации об опасности сейсмического воздействия.

В России действует комплекс Правительственных программ, направленных на создание централизованной системы оперативного мониторинга, управления и обеспечения надежности, безопасности промышленных объектов, в том числе «Концепция федеральной системы мониторинга потенциально опасных грузов и объектов инфраструктуры РФ» (2005г.); Региональная программа на 2005 - 2010 гг. «Предупреждение чрезвычайных ситуаций, стихийных бедствий, эпидемий и ликвидация их последствий» и др.

Существуют два подхода к нормированию в области обеспечения безопасности промышленных объектов: детерминированный и вероятностный.

Детерминированный подход основан на определенной количественной дифференциации и распределении чрезвычайных ситуаций, производственных объектов, технологических процессов, зданий и сооружений, производственного оборудования по степени опасности на категории, классы и т.п., определяемых по параметру, характеризующему потенциальную энергию взрыва, опасные характеристики и параметры производственных процессов, количество пораженных и пострадавших, а также разрушающие последствия пожара и взрыва. При этом назначаются конкретные количественные границы этих категорий, классов и т.п. Недостатком этого подхода является ограниченная возможность варьирования при определении категорий и то, что нередко его применение вызывает затруднения по применению прогрессивных проектных решений и излишние затраты на реализацию этих решений.

Вероятностный подход основан на концепции допустимого риска с расчетом вероятности достижения определенного уровня безопасности и предусматривает недопущение воздействия на людей опасных факторов производственной среды с вероятностью, превышающей нормативную. Вероятностный подход дает возможность нахождения оптимального варианта проектного решения. Он основан на количественной зависимости между опасными производственными факторами, приносимым материальным ущербом и вероятностью реализации опасных факторов с учетом защитных мер. Однако этот подход более сложен и требует многочисленных дополнительных статистических сведений, которые, как правило, отсутствуют. Большим затруднением в использовании этого подхода является необходимость учета человеческого фактора и надежности системы «человек—машина».

Сложность и точность управленческих решений, получаемых на основе моделирования промышленных процессов, необходимость оптимизации управляемых параметров обуславливают необходимость применения системного подхода к управлению безопасностью промышленных объектов. Не все цели и условия выбора управляющих решений могут быть сведены к количественным соотношениям, описание объекта управления является сложным при формализации или вообще отсутствует. Применение системного анализа в управлении рассмотрено в работах B.C. Анфилатова, A.A. Емельянова и A.A. Кликушина [9], H.H. Моисеева, C.B. Емельянова, Г.С. Поспелова, В.Н. Афанасьева, В.Б. Колманского и В.В. Носова [12], В.Г. Балашова и А.Ю. Заложнева [13], C.B. Миронова и A.M. Пищухина [83], К. Негойце [86], Э.А. Трахтенгерца [111].

Кризисные и экстремальные ситуации, возникающие при землетрясениях в технических системах, характеризуются неопределенностью состояния технической системы и дальнейшего развития ситуации. Неопределенность связана с нестабильностью характеристик сложных объектов и процессов, а также с недостаточностью или отсутствием информации о возмущающих воздействиях, что связано с отсутствием точной модели объекта на всем интервале управления.

Интенсивное развитие техники и новые компьютерные технологии приводят к значительному усложнению структуры промышленных систем. Востребованность в промышленности технологий управления безопасностью при неполном объеме информации приводит к необходимости создания новых методов для эффективного управления.

При управлении безопасностью промышленного объекта принятие решений может быть обеспечено при помощи диагностических моделей, в которых используются оценки, базирующиеся на теории нечетких множеств. Основоположником теории нечетких множеств в современной трактовке является

JI.А. Заде [51]. Основы теории нечеткого управления изложены в работах А. Кофмана [67], В.В. Круглова, М.И. Дли и Р.Ю. Годунова [70], A.B. Леоненкова [74], Д. Рутковской [100], Р. Ягера [182, 183], Н.Г. Ярушкиной [127].

Применение теории нечетких систем управления в условиях неопределенности представляет собой один из современных методов управления. Возможности математического аппарата, развитого в рамках теории нечетких множеств, позволяют решать прикладные задачи, в которых исходная информация включает экспертные знания. Общее представление о прикладных нечетких системах можно составить по работам И. П. Борна и Дж.-У. Диеулотба [131], С. Валламсундера [178], П.С. Гладкова и С.В. Гладкова [31], Н.П. Деменкова [39], Н.В. Дилигенского, Л.Г. Дымова и П.В. Севастьянова [41], Каймаза [150], О.Н. Масиной, Н.П. Петровой и О.Н. Карпеченкова [82], Н. Недьяна и Л. Моурель [160], К. Танака и М. Суджено [175], Т. Тэрано, К. Асаи и М. Суджэно [92], Ф. Уиханаи К. Мегуро [177],Ф. Фаркаса и С. Халасза [139], Н.И. Юсупова, Г.Р. Шахмаметова и K.P. Еникеева [126], Р.Р. Ягера [89].

Использование методов, основанных на теории нечетких множеств, дает возможность с единых позиций описать как количественно, так и качественно выраженную информацию об объектах, мультипликативное влияние факторов неопределенности, влияние рисков и субъективных решений и ряд других моментов повышающих адекватность получаемых решений. Результат применения методов, основанных на теории нечетких множеств, в сочетании с хорошо разработанными вероятностными методами приводит к получению оптимальных решений задачи управления безопасностью за приемлемое время.

Анализ зарубежных и отечественных публикаций позволяет сделать вывод о необходимости проведения дальнейших теоретических и практических исследований в области стратегического управления безопасностью промышленного объекта с применением теории нечетких множеств. Это связано с тем, что большинство исследователей рассматривают только отдельные аспекты и узкие вопросы принятия решений при нечеткой исходной информации, остается 7 не до конца решенной проблема управления безопасностью при нечеткой исходной информации, в результате отсутствует комплексный подход к решению задач управления безопасностью, что не позволяет широко внедрять результаты этих исследований в практику.

В многоэлементных системах взаимодействие элементов и взаимозависимости повреждений элементов играют критическую роль в общей массе повреждений структуры от землетрясения. Оценка состояний технических систем проводилась в работах Р. Агхатэчера и М.Р. Делавара [128], Р.В. Демико [135], В.Н. Богатикова и Г.А. Тоичкина [18], A.A. Калинина [57], А. Караусу и А. Вулпе [133], К. Сузуки [172].

Исследование динамики взаимодействия подвижного состава и пути проведено в работах Х.С. Биана, Я.М. Чена и Т. Ху [130], C.B. Вертинского, В.Н. Данилова и В.Д. Хусидова [21], А.Х. Викенса [180], В.К. Гарга и Р.В. Дуккипати [29], С.Г. Жанга, В.Х. Жанга и Х.С. Джина [185], В.А. Лазаряна [73], A.A. Львова [23], Н. Матсумото, М. Соджейба [174], М. Тэнеба, С. Комии и X. Вакуи [173], Т.А. Тибилова [109], М.Ф. Фериго [20], В.В. Хэй и С.Ф. Аллена [144], Я.А. Хандоко [142], X. Хи [145], В.В. Хусидова, A.A. Хохлова и Г.И. Петрова [119], Ю.М. Черкашина [120], У.В. Янга, Дж.Д. Яу и У.С. By [184] и других авторов. Среди наиболее сложных проблем можно выделить задачи исследования взаимодействия подвижного состава с рельсами при сейсмическом воздействии. Известно [92, 100, 111, ИЗ, 92], что для решения задач управления s техническими системами, в том числе и транспортными, можно использовать вероятностный подход и подход, основанный на теории нечетких множеств. В ряде случаев использование подхода, базирующегося на теории нечетких множеств, имеет ряд преимуществ. Эти преимущества состоят в возможности учета экспертных оценок, которые на низших уровнях управления безопасностью промышленного объекта имеют расплывчатый характер.

Для управления техническими объектами, подвергаемых опасности при сейсмических воздействиях, необходимо проводить исследования сейсмических воздействий. Методы теории сейсмобезопасности и расчета технических систем на сейсмические воздействия приведены в работах В.М. Антонова, В.В. Леденева 8 и В.И. Скрылева [8], А. Бибраера [16], В. А. Волосухина, В.П. Дыба и В.А. Моргунова [25], ГШ. Гайджурова [28], В.В. Гаскина и И.А. Иванова [30], С. Джиовиназзи и С. Лагомарсино [140], Р.И. Инглекирка [137], Б.Г.Коренева и И.М. Рабиновича [42], Т. Рэшида и Дж. Викса [165], В.И. Уломова [115]. Одна из наиболее сложных задач заключается в количественном анализе акселерограмм, их модификации и численном моделировании для оперативного прогнозирования характеристик грядущего землетрясения и возможности уменьшения чрезвычайных последствий.

Развитие методов фрактального анализа и моделирования позволяет совершенствовать методику оперативного анализа сейсмических возмущений. Методы подхода к анализу временных рядов с позиций нелинейной динамики представлены в работах М.М. Дубовикова [48], Ю. С. Ильяшенко [55], Ю.Н. Кликушина [62], P.M. Кроновера [69], Б. Мандельброта [79], Б.Е. Победри [90], Д.Э. Постнова, А.Н. Павлова и C.B. Астахова [91], Н.В. Старченко [107], Я.Г. Синая [108], Е. Федера [117], М. Шредера [124]. Отметим, что важной и сложной задачей является применение методов фрактального анализа к управлению безопасностью с учетом сейсмических воздействий.

Целью диссертации является совершенствование методов' управления безопасностью технических систем с учетом сейсмических воздействий и повышение эффективности оценки данных сейсмического мониторинга.

Методы исследования. В диссертации использованы методы системного анализа, теории управления, теории нечетких множеств, теории принятия решений, фрактального анализа, теории устойчивости движения, теории динамических систем.

Научная новизна. В диссертационной работе предложен подход к управлению безопасностью промышленного объекта при сейсмическом воздействии на основе применения многокритериального управления [17*]. Разработана методика оценки повреждений промышленных объектов после

4е % сейсмических воздействий [14, 19].' Составлен алгоритм, позволяющий исследовать устойчивость движения при сейсмических воздействиях [8*, 13*, 18*, * $

20 -22 ]. Предложена методика анализа сейсмических воздействий, действующих на техническую систему [Г-7*, 9*-12*, 15*, 16*], основанная на применении фрактального анализа, которая позволяет прогнозировать поведение системы и диагностировать нестабильные состояния. Полученные результаты служат основой подхода к управлению безопасностью промышленных объектов, количественному измерению опасности в промышленной системе при сейсмическом воздействии и построению автоматизированной информационной системы управления безопасностью.

Достоверность и обоснованность. Достоверность результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается корректностью принятых допущений и строгостью аналитических и качественных методов. Все утверждения диссертации обоснованы, приведены полные обоснования выводов. Результаты работы обсуждались на научных семинарах, на научно-технических, в том числе международных, конференциях.

Практическая ценность. Областью применения разработанных в диссертации методов оценки и управления безопасностью технических систем при сейсмических воздействиях являются задачи системного анализа, теории управления и задачи создания автоматизированной системы управления. Применение методики нечеткого управления позволит разработать элементы автоматизированной информационной многопараметрической многокритериальной системы управления безопасностью с учетом данных о негативных событиях, оценки факторов риска и мониторинга состояния объектов технической системы. Предлагаемая оценка повреждений технической системы позволит определять необходимость ремонта, укрепления или модернизации сооружений, устанавливать зависимости индикаторов повреждения для оценки допустимой нагрузки, длительность и производительность обслуживания сооружений. Методы фрактального анализа могут применяться для оперативной оценки сейсмического воздействия на изменение уровня безопасности промышленной системы, изучения тенденций развития негативных ситуаций при функционировании промышленного объекта, в задачах совершенствования строительных технологий, используемых в промышленности, в задачах совершенствования технологий обеспечения сейсмобезопасности промышленных и транспортных конструкций.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Учреждения Российской академии наук Вычислительный центр им. A.A. Дородницына РАН, а также в рамках работ по проекту Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 10-08-00826-а).

Основные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Техносферная безопасность» Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:

- на XVI, XVII, XXI межвузовских конференциях «Актуальные проблемы естествознания» (Н. Новгород, РГОТУПС, 2002, 2004, 2009 гг.); с'

- на научно-практической конференции «Безопасность как фактор устойчивого развития региона» (Ижевск, РГОТУПС, 2006 г.);

- на Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии (Москва, РУДН, 2006 г.); на XVII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ им. В.А.Трапезникова РАН, 2009 г.);

- на научно-практической конференции «Неделя науки - 2009. Наука МИИТа - транспорту» (Москва, МИИТ, 2009);

- на Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы системной безопасности» (РАН, 2009 г.);

- на научной конференции МГТУ «Станкин» - ИММ РАН по математическому моделированию и информатике (МГТУ «Станкин», 2009, 2010 гг.);

- на семинаре кафедры «Техносферная безопасность» Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения (Москва, РОАТ, 2010 г.);

- на научном семинаре отдела нелинейного анализа и проблем безопасности (Москва, ВЦ РАН, 2010 г.).

Личный вклад автора в проведенное исследование. В диссертацию включены результаты, которые получены лично автором, а результаты других авторов, которые использованы при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1* - 22*], приведенных в конце списка литературы.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих параграфы, заключения и списка литературы. В каждом параграфе принята тройная нумерация формул, рисунков, таблиц: первая цифра соответствует номеру главы, вторая цифра - номеру параграфа, третья цифра - порядковому номеру формулы, рисунка, таблицы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Климова, Диана Викторовна

Выводы по главе 3

В главе рассмотрены основы функционирования важной составляющей системы управления безопасностью технических систем при сейсмических возмущениях - системы мониторинга сейсмических возмущений. Проведен обзор методов анализа акселерограмм.

Предложена методика анализа сейсмических возмущений, действующих на техническую систему. Методика основана на фрактальном анализе. Алгоритм фрактального анализа позволяет обнаружить сейсмическое возмущение в период, когда оно только перестает фиксироваться как шум и позволяет проанализировать характер сейсмического процесса.

Проведены оценки представительского набора акселерограмм и поведения консольного стержня при сейсмическом воздействии. На основе анализа зависимости чередования участков с различной фрактальной размерностью и тем, как на систему воздействуют внешние и внутренние факторы, можно прогнозировать поведение системы, а также диагностировать и предсказывать нестабильные состояния.

Данная методика может быть использована в задачах совершенствования строительных технологий, применяемых в промышленной транспортной отраслях, а также в задачах совершенствования технологий управления безопасностью технических систем при сейсмических воздействиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты настоящей диссертационной работы, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Предложена методика фрактального анализа сейсмических возмущений, действующих на техническую систему. Алгоритм фрактального анализа позволяет оценивать величину сейсмического возмущения по первым пикам сейсмического возмущения, выделенного из сейсмического шума. Показано, что использование фрактального анализа позволяет повысить вычислительную эффективность и оперативность анализа опасности сейсмических возмущений.

2. Проведен фрактальный анализ представительского набора акселерограмм, выполнены вычисления фрактальных показателей для сейсмических воздействий различной магнитуды, и охарактеризовано динамическое поведение элемента конструкции промышленного объекта (консольного стержня) при сейсмическом воздействии.

3. Разработана методика многоуровневой оценки повреждений промышленного объекта, подвергшегося сейсмическому воздействию. Методика базируется на построении нечетких классификаторов и логике экспертных рассуждений. Рассмотрены примеры расчетов для оценки повреждений промышленного сооружения и железобетонного моста.

4. На основе методов многокритериального управления проведено сравнение групп мероприятий, обеспечивающих безопасность промышленного объекта при сейсмических воздействиях. Сформулирован алгоритм и рассмотрен пример оценки состояния элементов промышленного объекта.

5. Рассмотрен вопрос об устойчивости решений матричных дифференциальных уравнений модели технической системы. Предложен алгоритм анализа устойчивости функционирования технических систем, моделируемых матричными дифференциальными уравнениями второго порядка. Дана конкретизация алгоритма для модели динамического взаимодействия поезда и пути при сейсмическом воздействии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Климова, Диана Викторовна, 2011 год

1. Аверкгт А.Н., Батыршин КЗ., Блигиун А.Ф. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Поспелова ДА. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.

2. Агапов A.A., Писаное М.В., Лыков СМ., Печеркин A.C., Фурсенко В.И. Анализ опасностей при разработке декларации безопасности // Безопасность труда в промышленности. 1995. № 10. С. 26-31.

3. Ажмухамедов K.M. Анализ и управление комплексной безопасностью на основе когнитивного моделирования // Управление большими системами. В. 29. М.: ЖГУ РАН, 2010. С.5-15.

4. Аки К., Ричарде 77. Количественная сейсмология: Теория и методы. В 2-ч т. Пер. с англ. М.: Мир, 1983.

5. Алешкевич В.А., Дадгнко Л.Г. Караваев В.А. Колебания и волны. М.: МГУ, 2001.

6. Алиев P.A., Захарова Э.Г., Ульянов C.B. Нечеткие модели управления динамическими системами // Итоги науки и техники. Сер. Техн. кибернетика. Т. 29. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1990. С. 127-201.

7. Алтунин А.Е., Семухин М.В. Модели и алгоритмы принятия решений в нечетких условиях. Тюмень: Изд-во Тюменского гос. ун-та, 2000.

8. Антонов В.М., Леденев В.В., Скрылев В.И. Проектирование зданий при особых условиях строительства и эксплуатации. Тамбов: ТамГТУ, 2002.

9. Анфилатов B.C. , Емельянов A.A., Кукушкин A.A. Системный анализ в управлении / Под ред. А. А. Емельянова. М.: Финансы и статистика, 2003.

10. Анциперовский B.C., Осипов В.О., Якобсон КК. Содержание и реконструкция железнодорожных мостов. М.: Транспорт, 1975.

11. Артемов В.И. К вопросу о принципиальных подходах к оценке риска при принятии решений // Современные проблемы науки и образования. 2008. № 1. С. 39-47.12.