автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Экспертное оценивание техногенного риска при транспортировке нефти для управления безопасностью в промышленном регионе



%

V\

На правах рукопиЬц^^

БАЛАБА Константин Валерьевич

ЭКСПЕРТНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО РИСКА ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ В ПРОМЫШЛЕННОМ РЕГИОНЕ

Специальности

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

Заслуж. деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. ГУСЕВ Юрий Матвеевич

д-р техн. наук, проф. КРЫМСКИЙ Виктор Григорьевич

д-р физ.-мат. наук, проф. БАХТИЗИН Рамиль Назифович

д-р техн. наук, проф. СУЛТАНОВ Альберт Ханович

Ведущая организация

Институт экологии Волжского бассейна РАН (г. Тольятти)

Защита диссертации состоится «___»__2005 года в__часов

на заседании диссертационного совета Д-212.288.03 в Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г.Уфа, ул. К.Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_»

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

Ю.

Миронов В.В.

4& О® ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Нефть и нефтепродукты относятся к числу основных типов энергоносителей, применяемых в народном хозяйстве Российской Федерации. Их эффективному использованию способствует развитая транспортная инфраструктура, позволяющая поставлять нефть и нефтепродукты в различные области страны и за рубеж.

Тем не менее, развитие и использование средств транспортировки нефти неизбежно влечет рост потенциальных опасностей, связанных с возникновением аварий на соответствующих объектах. Аварийные разливы нефти, происходящие как на суше, так и на поверхностях водоемов, приносят существенный экономический и экологический ущерб. Поэтому возникают задачи адекватной оценки потенциальных опасностей, а также принятия мер по предотвращению возможных ущербов и потерь. Решения этих задач должны стать составной частью процесса управления безопасностью в соответствующем регионе как социально-экономическом комплексе.

Актуальность решения названных задач нашла отражение в Федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 года» и в аналогичной целевой программе Республики Башкортостан. На организацию действий по предотвращению возникновения возможных аварий в связи с эксплуатацией объектов транспортировки нефти и нефтепродуктов направлены также Постановления Правительства Российской Федерации от 21 августа 2000 года № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» и от 15 апреля 2002 года № 240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации».

Решению вопроса оценки риска аварий на объектах транспортировки нефти и нефтепродуктов (ТНН) посвящены исследования и публикации многих отечественных ученых и специалистов - Р.Н. Бахтизина, В.Е. Гвоздева, А.И. Гражданкина, Д.В. Дегтярева, A.C. Едигарова, А.Н. Елохина, В.Г. Крымского, С.Е. Кутукова, М.В. Лисанова, H.A. Махутова, P.P. Набиева, Г.Э. Одишария, C.B. Павлова, A.C. Печеркина, Б.Е. Прусенко, B.C. Сафонова, Р.З. Хамитова, АН. Черноплекова, MA. Шахраманьяна, A.A. Швыряева и других. Указанные вопросы рассматриваются также в работах ряда зарубежных ученых, среди которых можно выделить Ч. Блэкмора, JL Гооссенса, Р. Кука, Дж. Мэзера, Р. Согессера.

Необходимо отметать, что оценка степени потенциальной опасности объектов ТНН осуществляется в условиях неопределенности,, которая, в том числе, носит

характер неизвестности, неполноты и недос данных. Эту

БИБЛИОТЕКА i

С 09

особенность необходимо принимать во внимание при формировании результирующих оценок показателей риска. Учет неопределенности может быть реализован в рамках подходов, предложенных такими отечественными учеными и специалистами, как В.И. Васильев, В.Е. Гвоздев, Ю.М. Гусев, В.Н. Ефанов, Г.Н. Зверев, Б.Г. Ильясов, В.Г. Крымский, О.И. Ларичев, И.А. Рябинин, Е.Д. Соложенцев, Р.И. Трухаев, а также зарубежными - Дж.А. Вильсоном, К. Генестом, Э.Т. Джейн-сом, М. Джоини, Р.Т. Клеменом, Р. Куком, Дж.Р. Маккензи, Т. Рейли.

Одним из путей снижения уровня неопределенности в исходных данных является применение процедур экспертного оценивания. В ситуациях, когда отсутствует представительная статистика, экспертные знания позволяют сформировать модель, которая необходима для поддержки принятия управленческих решений.

В Настоящее время существуют методики расчета показателей риска аварий на объектах ТНН с привлечением результатов экспертного оценивания. Тем не менее, отмеченным методикам присущи значительные недостатки, связанные с отсутствием достаточных оснований для получения на их основе оценок вероятностей аварий, а также с затруднениями при формировании единых обобщенных показателей тяжести последствий. Это, в свою очередь, снижает достоверность оценивания риска в целом и может привести к неоптимальным управленческим решениям. Таким образом, задачи разработки методов и реализующих их алгоритмов определения показателей риска на объектах ТНН с учетом обработки и анализа информации, полученной в результате экспертного оценивания, остаются актуальными.

Цель работы

Разработка методов и реализующих их алгоритмов, предназначетшх для-информационной поддержки принятия решений на базе экспертного оценивания при определении степени потенциальной опасности объектов ТНН.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) Разработка метода оценивания величины вероятности возникновения аварии на объекте ТНН на основе информации о субъективных вероятностях реализации факторов влияния на аварийность и сведений об их взаимосвязи, полученных с помощью экспертного оценивания.

2) Разработка метода формирования обобщенного показателя тяжести последствий аварий на объектах ТНН, учитывающего основные виды потенциального ущерба (причиняемого населению, техническим объектам и природной среде), их статистические характеристики, а также неопределенность в исходных данных, которые получены на основе экспертного оценивания.

3) Разработка алгоритма ранжирования объектов ТНН по степени их опасности с использованием полученных величин вероятностей возникновения аварий и обобщенных показателей тяжести последствий.

4) Разработка программных средств, применяемых для поддержки принятия решений при анализе аварийных ситуаций на объектах ТНН (распределенной модели, описывающей параметры распространения зон нефтяного загрязнения на поверхности водоемов; информационной системы для сбора, обработки и анализа данных об авариях на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов) с целью последующего обобщения указанной информации в рамках промышленного региона.

Методы исследования

Поставленные в работе задачи решены с использованием ряда разделов и положений теории управления, системного анализа, методов математической статистики и теории вероятностей, теории информации, а также анализа риска.

На защиту выносятся:

1) Метод и реализующие его алгоритмы определения величины вероятности возникновения аварий на объекте ТНН, учитывающие функции распределения субъективных вероятностей факторов влияния на аварийность и информацию о взаимосвязи этих факторов, которая получена на основе экспертного оценивания.

2) Метод и реализующие его алгоритмы формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий, учитывающие функции распределения вероятностей основных частных видов потенциального ущерба, исходные данные о которых получены на основе экспертного оценивания.

3) Алгоритм ранжирования объектов ТНН по степени опасности, использующий «принцип предосторожности» и учитывающий неопределенность в исходных данных.

4) Программные средства, осуществляющие поддержку принятия решений при оценивании показателей риска аварий на объектах ТНН (алгоритм и программа моделирования распространения зон нефтяного загрязнения на поверхностях водоемов; информационная система для сбора, обработки и анализа данных об авариях на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов).

Научная новизна

1. На основе анализа факторов влияния на аварийность сформирована математическая модель, позволяющая определить вероятность безаварийного функционирования объекта ТНН. Построение модели основано на применении распределений вероятностей особого типа - так называемых функций связки, или копу л. При этом:

- свойства каждого фактора влияния на аварийность, входящего в определенную группу однотипных факторов, описываются частной функцией распределения вероятностей;

- взаимосвязь факторов влияния на аварийность в соответствующей группе учтена на основе нормирования величин парных ранговых корреляций Спирмена или Кендалла;

- получение плотности вероятностей для копулы производится на основе принципа максимизации энтропии системы рассматриваемых случайных переменных, что позволяет уменьшить субъективизм при формировании модели.

2. Исходя из информации о частных видах потенциального ущерба, характеризующего аварийные ситуации (а именно - ущерба для населения, окружающей природной среды и технических объектов), разработана процедура двухэггапного определения обобщенного интегрального показателя тяжести последствий возможных аварий на объектах ТНН При этом:

- обобщенный интегральный показатель формируется с учетом функций распределения вероятностей для частных- видов потенциального ущерба (он представляет собой аддитивную свертку усредненных нормированных показателей частных видов потенциального ущерба);

- определение величин весовых коэффициентов в указанной свертке производится на основе принципа максимизации энтропии системы соответствующих случайных величин, что дает возможность повысить степень объективности получаемых в конечном счете суждений о последствиях аварий.

Вычисление обобщенных интегральных показателей тяжести последствий для различных объектов ТНН создает предпосылки для перехода от задачи многокритериального сравнения объектов по величине ожидаемого ущерба к задаче их сопоставления по скалярной оценочной функции.

3. Разработан алгоритм двухкритериалъного ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности, предполагающий использование найденных значений вероятностей возникновения аварий и обобщенных интегральных показателей тяжести последствий. Результаты ранжирования служат основой для принятия управленческих решений по обеспечению заданного уровня безопасности в соответствующем регионе.

4. Предложен модифицированный алгоритм определения конфигурации и пространственного состояния зон загрязнения поверхности водоемов разлившимися нефтью и нефтепродуктами, учитывающий совокупность влияющих природных и техногенных факторов и используемый при оценивании экономических потерь от аварий на объектах водного ТНН

Практическая ценность и реализация результатов работы

Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по формированию структуры и принципов функционирования систем стратегического и оперативного управления безопасностью на объектах транспортировки и хранения нефта и нефтепродуктов. По результатам

выполненных работ внедрены в Научно-исследовательском институте безопасности и жизнедеятельности Республики Башкортостан:

- методика экспертного оценивания факторов влияния на аварийность объектов ТНН;

- методика формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий для оценивания степени потенциальной опасности объектов ТНН;

- программа моделирования распространения зон загрязнения водных объектов.

Внедрение указанных разработок позволило на 25% сократить время, затрачиваемое на оценивание риска в связи с эксплуатацией объектов ТНН, а также повысить достоверность получаемых оценок, что увеличило эффективность управления безопасностью на этих объектах.

Апробация работы

Результаты и положения исследовательской работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических и научно-практических конференциях:

1. П Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в моделировании и управлении»: СПбГТУ, С.-Петербург, 2000.

2. Всероссийская научная конференция «Оценка и управление природными рисками»: ВНИИ ГОЧС, Москва, 2000.

3. IV Международная научно-практическая конференция «Биосферосов-местимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей средой»: Приволжский Дом знаний, Пенза, 2001.

4. Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации»: УГАТУ, Уфа, 2001.

5. III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: МЧС РБ, Уфа, 2002.

6. Научная конференция «Сергеевские чтения»: ИГЭ РАН, Москва, 2003.

7. Научно-практическая конференция «Экологические проблемы устойчивого развития Республики Башкортостан»: УППК, Уфа, 2004.

8. Международная научная школа «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах»: ИПМаш РАН, С.-Петербург, 2005.

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 10 источниках, включая 6 статей, 3 материала научных конференций, 1 программный продукт, зарегистрированный в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из 152 страниц машинописного текста, включающего в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 102 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее задачи, охарактеризованы новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе выполнено сравнительное исследование подходов к оцениванию риска аварий на объектах ТНН. Отмечено, что эффективное управление состоянием объектов ТНН является одним из условий обеспечения безопасности в промышленном регионе. В связи с этим проанализирована типовая структура системы стратегического управления уровнем техногенной безопасности объектов ТНН (рис. 1). Принципы функционирования этой структуры основываются, с одной стороны, на теории и практике управления социально-экономическими комплексами, с другой стороны - используют методы системного анализа, показавшие эффективность при проектировании сложных технических систем. Важной составляющей рассматриваемой структуры является подсистема информационной поддержки принятия решений, алгоритмическое обеспечение которой должно предусматривать определение оценочных функций риска аварий объектов ТНН и их ранжирование по степени потенциальной опасности.

Реализация управленческих решения

Федеральные и республиканские законы, отраслевые стандарты и директивы по обеспечению

^ безопасности +

Органы государственной власти и управления

Надзорные органы

Эксплуатирующая организация

ТЕКУЩАЯ СИТУАЦИЯ на объекте ТНН

Указе нгя и рекомс «3 эт/1л/

Финана ее регул ирсн а*

Подсистема

информационной поддержки принятия решений

£

Декларация безопасности объекта ТНН

Заключения экспертного совета

ггах

т

Информф1ия об уровне 1посност.

Экономические механизмы воздействия на уровень безопасности (страхование и т.д.)

Рисунок 1. Организация стратегического управления уровнем безопасности объектов ТНН в промышленном регионе

В диссертационной работе рассматриваются наиболее значимые с точки зрения обстановки в регионах типы объектов ТНН: магистральные нефтепродук-топроводы (МНПП) и средства водного транспорта нефти и нефтепродуктов (ВТНН).

Оценочная функция риска Я в связи с авариями на МНПП может быть найдена из соотношений:

Л = А/ = ^{й,е2,ез}; Р = (1)

где Г/, Р3 - функциональные зависимости; М - математическое ожидание ущерба; Р - вероятность возникновения аварийной ситуации; Ql, ()2, Qз - потенциальные ущербы, наносимые населению, техническим объектам и окружающей среде соответственно; £) - внешние и внутренние воздействия; N. т -цикличность и длительность воздействия; / - температура; 5 - параметры сопротивления материалов и элементов несущих конструкций внешним и внутренним воздействиям.

Оценочная функция риска аварий на ВТНН определяется аналогично (1), при этом частные виды потенциального ущерба должны оцениваться с учетом специфики разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов.

В соответствии с системным подходом к анализу риска аварий на объектах ТНН, учет степени неопределенности в информации о состоянии системы предлагается производить с использованием понятия энтропии. Это позволяет применять далее принцип Гиббса - Джейнса максимизации энтропии для поиска наиболее достоверных значений параметров распределений системы случайных величин, которые участвуют в построении моделей для определения вероятностей возникновения аварийных ситуаций на объектах ТНН.

К числу эффективных способов получения информации о состоянии объекта и. таким образом, уменьшения степени неопределенности в процессе принятия решений относится применение процедур экспертного оценивания. В связи с этим в заключительной части главы рассмотрены современные методы получения и обработки экспертных данных.

Проведенный анализ позволил сформулировать задачи исследования, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе рассматривается задача оценивания вероятностной компоненты риска при транспортировке нефти. Информация о вероятности аварии для определенного участка МНПП (зоны акватории ВТНН) обладает особой важностью, так как на ее основе принимаются решения об организации мониторинга, принятии превентивных мер, а также подготовке людских и материальных ресурсов к ликвидации возможных последствий. Модель для оценивания искомой вероятности предлагается строить, исходя из учета совокупности

факторов влияния на аварийность, выявляемых при анализе статистических данных по аварийным отказам на объектах ТНН. Для МНПП количество групп факторов принимается пмнпп = 8 (внешние антропогенные воздействия, коррозия, качество производства труб, качество строительно-монтажных работ, конструктивно-технологические факторы, природные воздействия, эксплуатационные факторы, дефекта тела трубы и сварных швов). Для водного транспорта -пвтнн = 7 (столкновения судов, посадка на мели, несовершенство конструкции, повреждения у причалов, взрывы, пожары, поломки двигателя). Среди отмеченных групп факторов высокую весомость имеют антропогенные факторы. Они обусловлены несанкционированными или ошибочными действиями людей, повлекшими повреждение средств транспортировки нефти. Данный факт указывает на то, что в механизме инициирования аварий на объектах ТНН присутствует социальная составляющая.

При формировании модели необходимо учесть взаимосвязь факторов влияния на аварийность, что предлагается осуществить с помощью функции связки случайных переменных, называемой копулой. В рамках данного подхода величины факторов влияния на аварийность, включенные в ту или иную группу, представляются как зависимые непрерывные случайные переменные Х1,Х2,...,Хк, характеризуемые частными функциями распределения (ж,),/г2(х2),...,субъективных вероятностей (маргиналами). В свою очередь, копула для указанных случайных переменных представляет собой многомерную функцию С(м,, ..., г^), построенную на основе маргиналов' к, = ^ (х,), ик - ^ (х4) и определенную в пространстве гиперкуба [0,1]*.

Построение копулы с целью оценивания вероятности возникновения аварии может быть реализовано в два этапа. На первом этапе решается задача получения маргинальных распределений для характеристик факторов влияния на аварийность с привлечением накопленной статистики и результатов экспертного оценивания. На втором этапе находится плотность распределения для копулы исходя из располагаемой информации о зависимости случайных переменных. Количественной мерой такой взаимосвязи служат коэффициенты парной ранговой корреляции Спирмена или Кендалла, также определяемые на основе экспертного оценивания.

Несмотря на наличие ряда стандартных типов копул, в рассматриваемом случае нет достаточного обоснования для выбора того или иного типа копулы. Поэтому решение задачи построения модели предлагается осуществлять следующим образом. Плотность распределения, задаваемая копулой (далее - плотность копулы), формируется с использованием кусочно-равномерной аппрок-

симации рассматриваемой многомерной функции. При этом производится разбиение всей области определения копулы (гиперкуба [0,1]*) на подобласти (гиперкубы со сторонами, соответствующими подинтервалам на отрезках [0,1]) с последующей фиксацией постоянного значения р,х плотности копулы в пределах каждой подобласти 1ц ,4:

Ihl,={(«i. щ)

1 i

иуб(—,-)Vy= а .... m)}Vi„ ..., it= 1, ..., и. (2)

J m m v 7

/я m

Здесь £ - размерность копулы; m - количество подинтервалов на отрезке [0,1]. Таким образом, для плотности с ¡о,, копулы выполняется:

с*»(и1..... "*) = />„,,, если (и,, ..., (3)

В то же время, с учетом свойств плотности копулы должны соблюдаться следующие ограничения:

Р,, /, 0, /,,..., ;t (4)

mm mm mm

Е~£а. <. = Z-Ил -*= -=Рн«= ="> •••' w■ (5)

Условное графическое изображение плотности трехмерной (£ = 3;m = 3) кусочно-равномерной копулы, выполненное при Щ = const, приведено на рис. 2.

"2

Рисунок 2. Условное изображение плотности трехмерной кусочно - равномерной копулы

Для кусочно-равномерной аппроксимации копул коэффициенты парной ранговой корреляции р Спирмена и г Кендалла определяются следующим образом:

^ = (2/ - 1Х2У-1) - 3; (6)

т /=1 /и

у т т Ы »-1 /-1 у-1

г=—Т Т р Л р,+2СС Ро+2>-<)+4ЕЕ Р>.. ] ■-'1 • (7)

т /-1 М Ы (=1 /1=1

Если величины р или т найдены по результатам экспертного оценивания, то (6-7) следует отнести к числу ограничений на величины фиксируемых констант в выражениях для плотности копулы.

Основная задача, которую необходимо решить при построении кусочно-равномерной копулы, заключается в определении значений рк , удовлетворяющих совокупности условий (4-7). В представленной работе эта задача решается с использованием энтропийных методов моделирования. Применение принципа Гиббса - Джейнса максимизации энтропии позволяет повысить степень объективности (в условиях неопределенности) получаемой формы математического описания свойств системы случайных переменных, что создает условия для более адекватной оценки ситуации и обеспечивает последующее принятие обоснованных управленческих решений.

Выражение для энтропии рассматриваемой ¿-мерной системы переменных применительно к использованию кусочно-равномерной копулы:

1 к т т '<| Л1 т

= -2>,, „ \4fSF-\uMdu, Ь.{рК „), (8)

где ^"'(и,) представляет собой инверсное преобразование относительно маргинала ^ (х,). Таким образом, величина энтропии многомерного распределения определяется энтропиями маргиналов и копулы.

В диссертационной работе доказывается, что если ограничения (4-7) совместимы, то задача нелинейной оптимизации, максимизирующая энтропию (8) при отмеченных условиях, имеет единственное решение. Это решение позволяет определить плотности вероятностей />(| (г,,—Л = 1,...,от), т.е. построить кусочно-равномерную копулу. Также показывается, что кусочно-равномерная копула может быть использована в целях аппроксимации любой копулы, т.е. она может быть применена при описании зависимости случайных переменных произвольного вида.

С помощью полученной кусочно-равномерной копулы можно вычислить вероятность возникновения аварии на объекте ТНН:

и

р. 5г„,...,ХЛ <)) = X(1 -ОД,(хп(х,к))), (9)

1=1 .-1

где Р,(Хп < х1],...,Х1к 5 х1к)-вероятность безаварийного функционирования объекта ТНН при воздействии факторов, объединенных в группу Я,; С/ (.РЛхл)>—>Р* С*,*)) -соответствующая группе факторов Я, копула; п-количество групп факторов влияния на аварийность.

В свою очередь, вероятность возникновения аварии по причине реализации факторов из группы Я, определяется как

Р,., =1-?».,= 1- ¡-¡М*! )-М^)сЩ{х,).^к(хк)]ск,..хкк, (10)

О о

где /, {Х)),—, Л (хк) -плотности распределения вероятностей факторов в группе Я,; Х]Л>- критическое значение фактора, при котором реализуется соответствующая гипотеза аварийного развития событий; (**)>-••(**)]- плотность копулы для факторов влияния на аварийность из группы Я,.

В третьей главе рассматривается задача оценивания тяжести последствий аварий при транспортировке нефти. В связи с необходимостью учета трех наиболее важных частных видов потенциального ущерба (причиняемого населению, техническим объектам и природной среде), каждый из которых характеризуется собственной функцией распределения, возникает потребность в формировании обобщенного интегрального показателя тяжести последствий. Такой показатель должен включать в себя информацию о названных видах ущерба и об относящейся к ним неопределенности, обуславливая обоснованность принимаемых на его основе управленческих решений. В работе предложено формировать указанный обобщенный показатель в соответствии с процедурой, включающей в себя два этапа.

На первом этапе процедуры определяются средние ожидаемые значения по каждому из видов ущерба (т.е. М[<22], Щ()з], где 0) - у -й частный

вид потенциального ущерба).

На втором этапе вычисляется величина безразмерного результирующего показателя :

е;=(ю

.н

где PJ - весовые коэффициенты, имеющие размерность величин .

Для того, чтобы найти значения коэффициентов /?, ( ] = 1,..., 3 ), в работе используется принцип Гиббса - Джейнса максимизации энтропии. Этот подход позволяет сохранить исходный уровень неопределенности в информации о со-

стоянии системы при переходе от совокупности функций, характеризующих частные виды потенциального ущерба, к их комбинации. В итоге задача сводится к максимизации энтропии, характеризующей неопределенность в процессе принятая решений на основании результирующей системы <2р трех случайных величин £?1>£?2>бз:

вР=т+Ш+Р}е з- (12)

Плотность распределения /р(цр) переменной <2Р, в свою очередь, равна:

/,(«,) = Т1/.Ф - Ргйг I, (13)

-»-» Р\ Р\

где д2>1з - значения случайных переменных £?2>6з •

Решение сформулированной оптимизационной задачи может быть получено на основе метода неопределенных множителей Лагранжа. При этом получаем систему уравнений, задающих необходимое условие достижения экстремума функции цели:

7= 1, ..., 3;

л, ър,

■МО

//,(*,>*ь =1,

(И)

где ¡л - множитель Лагранжа.

Если система (14) не имеет решений, то наибольшее значение функции цели достигается на одной из границ интервала допустимых значений того или иного коэффициента. В такой ситуации следует перейти от системы уравнений (14) к совокупности неравенства и уравнения. Значения /?, могут далее вычисляться исходя из установленных верхней и нижней границ для интервала приемлемых значений энтропии.

В диссертационной работе анализируется, каким образом решается задача формирования обобщенного интегрального показателя для различных законов распределений вероятностей частных видов потенциального ущерба. Для трехмерных экспоненциального, нормально-экспоненциального, экспоненциально-нормального распределений частных видов потенциального ущерба получены аналитические выражения для коэффициентов Д,; для трехмерных нормального, Парето распределений частных видов потенциального ущерба сформированы соответствующие целевые функции, условная максимизация которых позволяет оценить искомые /?, с помощью численных методов. Применительно к трехмерным нормальному и Парето распределениям вероятностей частных видов

потенциального ущерба в диссертации приводятся графические зависимости энтропии Н[др] от коэффициентов Д, рг, рг (рис. 3).

Я

Рисунок 3. Зависимость величины энтропии //от значений коэффициентов /?/, р2 при р}=сопЛ для нормальных распределений частных видов потенциального ущерба

Анализ расчетных значений компонент риска (вероятности возникновения аварии и обобщенного интегрального показателя тяжести последствий) производится для каждой составляющей объекта ТНН: участка МЫ 111, фиксированной акватории - в случае ВТНН и т.п. Полученные результаты характеризуют потенциальную опасность объектов ТНН, которые предлагается проран-жировать с использованием «принципа предосторожности». Сущность отмеченного принципа заключается в том, что он определяет превалирующую значимость (с точки зрения потенциальной опасности) того объекта, который характеризуется наибольшей величиной меры тяжести последствий. С учетом сказанного, предлагаемая процедура ранжирования предполагает последовательное сопоставление объектов - первоначально по значениям обобщенного интегрального показателя тяжести последствий, а затем, для равноценных вариантов, - по вероятности возникновения аварии.

Разработанный подход позволяет осуществить прогноз изменения состояния объектов ТНН и подготовить рекомендации как для оперативного, так и стратегического управления с целью уменьшения негативных последствий аварий и повышения надежности эксплуатации указанных объектов.

В четвертой главе исследуется эффективность разработанных методов в процессе определения вероятности возникновения аварии и значений обобщенных интегральных показателей тяжести последствий для различных участков

конкретного МНПП. В результате анализа выполнено ранжирование отмеченных участков трубопровода по степени риска, связанного с возможностью возникновения аварийных ситуаций.

Применительно к ВТНН задача оценивания риска и, в частности, обобщенного интегрального показателя тяжести последствий имеет свою особенность. Она заключается в том, что статистические характеристики частных видов потенциального ущерба для ВТНН должны формироваться при учете масштабов разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов. Поэтому оценивание меры тяжести последствий для водных объектов включает в себя решение задачи анализа и прогноза распространения зоны загрязнения. В работе предлагается и исследуется модифицированный алгоритм определения конфигурации пятна разлива, позволяющий получать как пространственные, так и временные характеристики распространения зоны загрязнения. Достоинства данного алгоритма и реализующего его программного средства заключаются как в принципе построения, учитывающем физические особенности процесса распространения зоны загрязнения (а именно - совокупность природных факторов: направления ветра, господствующих течений, глубину и рельеф дна и т.д.), так и в возможности получения большого числа характеризующих параметров (координат местоположения и радиусов дискретных пятен, составляющих общее представление о зоне загрязнения в плане водоема), описывающих изменение конфигурации пятна разлива в зависимости от времени.

В заключительной части главы излагается материал об информационной системе «Банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов» (ИСБДН), разработанной в процессе выполнения настоящих исследований. ИСБДН может служить источником систематизированной информации об авариях на объектах ТНН Республики Башкортостан и, тем самым, быть основой поддержки принятия управленческих решений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе предложен метод определения вероятностей возникновения аварий на объектах ТНН с целью поддержки принятия решений при управлении безопасностью в промышленном регионе. Метод ориентирован на использование субъективных (экспертных) вероятностей и предполагает восстановление совместных функций распределения факторов влияния на аварийность на основе аппарата копул. При этом взаимосвязь факторов учитывается с помощью коэффициентов парных ранговых корреляций Спирмена и/или Кендалла, а результирующий вид плотности вероятностей для копулы находится путем максимизации энтропии совокупности рассматриваемых случайных переменных. Это позволяет уменьшить степень дополнительно вносимой в модель

субъективной информации. В силу отмеченных особенностей применение метода повышает достоверность оценивания вероятностей аварий на объектах

тнн.

2. Разработан двухэтапный алгоритм формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий на ТНН, характеризующего возникновение потенциальных ущербов трех видов (для населения, природной среды и технических объектов). Показатель формируется как аддитивная свертка усредненных нормированных показателей частных видов потенциального ущерба. В свою очередь, коэффициенты свертки вычисляются в процессе применения принципа максимизации энтропии для взвешенной суммы случайных значений ущербов. Применение обобщенного интегрального показателя тяжести последствий обеспечивает возможность перехода от многокритериального сравнения объектов ТНН по величине ожидаемого ущерба к их сопоставлению по скалярной оценочной функции, что существенно облегчает принятие управленческих решений.

3. Разработан алгоритм двухкритериального ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности. Алгоритм основан на применении «принципа предосторожности» и учитывает двумерную оценочную функцию риска, формируемую го ранее найденных компонент (вероятности возникновения аварии и меры тяжести последствий). На основе результатов ранжирования принимаются управленческие решения по предотвращению возникновения аварий на объектах ТНН, а также по подготовке к ликвидации возможных последствий.

4. Предложены алгоритмы и разработаны программные средства, предназначенные для использования в подсистеме информационной поддержки принятия решений системы стратегического управления безопасностью объектов ТНН. Одно из указанных средств реализует модель распространения зон загрязнения в результате разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов. Другой программный продукт представляет собой банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов на терри гории Республики Башкортостан. Разработанные программные средства в совокупности с предложенными методами позволяют систематизировать основные операции, связанные с анализом техногенного риска по причине эксплуатации объектов ТНН.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Балаба К.В., Коваленко И.И., Крымский В.Г. Модель принятия решения при оценивании степени экологической опасности // Информационные технологий в моделировании и управлении: Тр. П Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: СПбГТУ, 2000. С. 51-53.

2. Балаба К.В., Коваленко И.И., Крымский В.Г. Формирование комплексных экспертных оценок тяжести последствий от воздействия факторов природной опасности // Риск-2000: Матер. Всерос. конф. М.: Анкил, 2000. С. 156-160.

3. Балаба К.В. Информационные показатели свойств сложных систем в сравнительном многокритериальном анализе // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Матер, междунар. молодежи, науч.-техн. конф. Уфа: УГАТУ, 2001. С. 258.

4. Балаба К.В., Крымский В.Г. Процедура формирования интегрального показателя свойств объекта для информационной поддержки принятия решений //Межвуз. науч. сб. Вып. 4. Уфа: УГАТУ, 2001. С.82-89.

5. Балаба К.В., Крымский В.Г. Определение интегрального показателя тяжести экологических катастроф с использованием трехмерного распределения Парето // Биосферосовместимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей средой: Матер. VI междунар науч.-практ. конф. Пенза: Приволжск. Дом Знаний, 2001. С. 158-161.

6. Балаба К.В., Крымский В.Г., Ниязов P.C. Информационная система учета и анализа аварийных разливов нефтепродуктов // Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: Матер. III науч.-практ. конф. Уфа: НИИ БЖД, 2002. С.97-98.

7 Балаба К.В., Гусев Ю.М., Крымский В.Г. Энтропия в многокритериальном анализе техногенного и природного риска // Сергеевские чтения. Вып. 5. Молодежная сессия. М.: ГЕОС, 2003, С.77-78.

8. Свид. об офиц. per. прогр. для ЭВМ № 2004610474. Программа моделирования распространения зон загрязнения водных объектов II К.В. Балаба, И.В. Иванов, В.Г. Крымский и др. М.: Роспатент, 2004.

9. Балаба К.В. Определение обобщенных показателей риска аварий на магистральных нефтепроводах // Экологические проблемы устойчивого развития Республики Башкортостан: Матер, науч.-практ конф. Уфа- У11ПК, 2004.

10. Крымский В.Г., Ахмеджанов Ф.М., Балаба К.В- Оценивание риска, связанного с магистральным газопроводом: подход на основе использования копул // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах. Междунар. науч. шк. МАБР-2005. СПб: ИПМаш РАН, 2005. С.400-405. (Статья на англ.яз.)

С.24-25.

Диссертант

К.В. Балаба

Б А ЛАБА Константин Валерьевич

ЭКСПЕРТНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО РИСКА ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ В ПРОМЫШЛЕННОМ РЕГИОНЕ

Специальности

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.10.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл.печ.л. 1,0. Усл.кр-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 453

Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул.К.Маркса, 12

j)5 - t 902 0

РНБ Русский фонд

2006-4 16065

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ОЦЕНИВАНИЮ РИСКА АВАРИЙ НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ щ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Объекты транспортировки нефти - потенциально опасные объекты.

1.2. Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов.

1.3. Анализ риска аварий на объектах транспортировки нефти.

1.3.1. Анализ риска аварий на магистральных нефтепродуктопроводах. ф 1.3.2 Анализ риска аварий на водном транспорте нефти.

1.4. Системный подход к анализу риска аварий на объектах транспортировки нефти.

1.4.1. Подходы к оцениванию показателей риска.

1.4.2. Ранжирование объектов транспортировки нефти по значениям показателей риска. гф 1.4.3. Формализация учета степени неопределенности.

1.4.4. Экспертное оценивание уровня потенциальной опасности объектов транспортировки нефти.

1.5. Постановка задачи исследования.

Актуальность темы. Нефть и нефтепродукты относятся к числу основных типов энергоносителей, применяемых в народном хозяйстве Российской Федерации. Их эффективному использованию способствует развитая транспортная инфраструктура, позволяющая поставлять нефть и нефтепродукты в различные области страны и за рубеж.

Тем не менее, развитие и использование средств транспортировки нефти неизбежно влечет рост потенциальных опасностей, связанных с возникновением возможных аварий на соотвествующих объектах. Аварийные разливы нефти, происходящие как на суше, так и на поверхностях водоемов, приносят существенный экономический и экологический ущерб. Поэтому возникают задачи адекватной оценки потенциальных опасностей, а также принятия мер по предотвращению возможных ущербов и потерь. Решения этих задач должны стать составной частью процесса управления безопасностью в соответствующем регионе как социально-экономическом комплексе.

Актуальность решения названных задач нашла отражение в Федеральной целевой программе «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 года» [39], и в аналогичной целевой программе [65] Республики Башкортостан. На организацию действий по предотвращению возникновения возможных аварий в связи с эксплуатацией объектов транспортировки нефти и нефтепродуктов направлены также Постановления Правительства Российской Федерации от 21 августа 2000 года № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» [61], и от 15 апреля 2002 года № 240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации» [60].

Решению вопроса оценки риска аварий на объектах транспортировки нефти и нефтепродуктов (ТНН) посвящены исследования и публикации многих отечественных ученых и специалистов — Р.Н. Бахтизина, В.Е. Гвоздева, А.И. Гражданкина, Д.В. Дегтярева, A.G. Едигарова, А.Н. Елохина, В.Г. Крымского, С.Е. Кутукова, М.В. Лисанова, Н.А. Махутова, P.P. Набиева, Г.Э. Одишария, С.В. Павлова, А.С. Печеркина, Б.Е. Прусенко, B.C. Сафонова, Р.З.Хамитова, А.Н. Черноплекова, М.А.Шахраманьяна, А.А. Швыряева и других. Указанные вопросы рассматриваются также в работах ряда зарубежных ученых, среди которых можно выделить Ч. Блэкмора, JI. Гооссенса, Р. Кука, Дж. Мэзера, X. Плюсса, Р. Согессера.

Тем не менее, круг нерешенных в этой области задач еще достаточно широк. Это объясняется как относительной новизной направления исследования, так и сложностью объектов анализа.

Необходимо отметить, что оценка степени потенциальной опасности объектов ТНН происходит в условиях неопределенности, которая в том числе носит характер неизвестности, неполноты и недостоверности в исходных данных. Эту особенность необходимо принимать во внимание при формировании результирующих оценок показателей риска. Учет неопределенности может быть реализован в рамках подходов, предложенных такими отечественными учеными и специалистами, как В.И. Васильев, В.Е. Гвоздев, Ю.М. Гусев, В.Н. Ефанов, Г.Н. Зверев, Б.Г. Ильясов, В.Г. Крымский, О.И. Ларичев, И.А. Рябинин, Е.Д. Соложенцев, Р.И. Трухаев, а также зарубежными - Дж.А. Вильсоном, К. Генестом, Е.Т. Джейнсом, М. Джоини, Р.Т. Клеменом, Р. Куком, Дж.Р. Маккензи, Т. Рейли.

Одним из путей снижения уровня неопределенности в исходных данных является применение процедур экспертного оценивания. В ситуациях, когда отсутствует представительная статистика, экспертные знания позволяют сформировать модель, которая необходима для поддержки принятия управленческих решений.

В настоящее время существуют методики расчета показателей риска аварий на объектах ТНН с привлечением результатов экспертного оценивания. Тем не менее, отмеченным методикам присущи значительные недостатки, связанные с отсутствием достаточных оснований для получения на их основе оценок вероятностей аварий, а также с затруднениями при формировании единых обобщенных показателей тяжести последствий. Это, в свою очередь, снижает достоверность оценивания риска в целом и может привести к неоптимальным управленческим решениям. Таким образом, задачи разработки методов и реализующих их алгоритмов определения показателей риска на объектах ТНН с учетом обработки и анализа информации, полученной в результате экспертного оценивания, остаются актуальными.

Цель работы. Разработка методов и реализующих их алгоритмов, предназначенных для информационной поддержки принятия решений на базе экспертного оценивания при определении степени потенциальной опасности объектов ТНН.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка метода оценивания величины вероятности возникновения аварии на объекте ТНН на основе информации о субъективных вероятностях реализации факторов влияния на аварийность и сведений об их взаимосвязи, полученных с помощью экспертного оценивания.

2. Разработка метода формирования обобщенного показателя тяжести последствий аварий на объектах ТНН, учитывающего основные виды потенциального ущерба (причиняемого населению, техническим объектам и природной среде), их статистические характеристики, а также неопределенность в исходных данных, которые получены на основе экспертного оценивания.

3. Разработка алгоритма ранжирования объектов ТНН по степени их опасности с использованием полученных величин вероятностей возникновения аварий и обобщенных показателей тяжести последствий.

4. Разработка программных средств, применяемых для поддержки принятия решений при анализе аварийных ситуаций на объектах ТНН (распределенной модели, описывающей параметры распространения зон нефтяного загрязнения на поверхности водоемов; информационной системы для сбора, обработки и анализа данных об авариях на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов) с целью последующего обобщения указанной информации в рамках промышленного региона.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием ряда разделов и положений теории управления, системного анализа, методов математической статистики и теории вероятностей, теории информации, а также анализа риска.

Научная новизна.

1. На основе анализа факторов влияния на аварийность сформирована математическая модель, позволяющая определить вероятность безаварийного функционирования объекта ТНН. Построение модели основано на применении вероятностных распределений особого типа - так называемых функций связки, или копул. При этом:

- свойства каждого фактора влияния на аварийность, входящего в группу однотипных факторов, описываются частной функцией распределения вероятностей;

- взаимосвязь факторов влияния на аварийность в соответствующей группе учтена на основе нормирования величин парных ранговых корреляций Спирмена или Кендалла;

- получение плотности вероятностей копулы производится на основе принципа максимизации энтропии системы рассматриваемых случайных переменных, что позволяет уменьшить субъективизм при формировании модели.

2. Исходя из информации о частных видах потенциального ущерба, характеризующего аварийные ситуации (а именно — ущерба для населения, окружающей природной среды и технических объектов), разработана процедура двухэтапного определения обобщенного интегрального показателя тяжести последствий возможных аварий на объектах ТНН. При этом:

- обобщенный интегральный показатель формируется с учетом функций распределения вероятностей для частных видов потенциального ущерба (он представляет собой аддитивную свертку усредненных нормированных показателей частных видов потенциального ущерба);

- определение величин весовых коэффициентов в указанной свертке производится на основе принципа максимизации энтропии системы соответствующих случайных величин, что дает возможность повысить степень объективности получаемых в конечном счете суждений о последствиях аварий.

Вычисление обобщенных интегральных показателей тяжести последствий для различных объектов ТНН создает предпосылки для перехода от задачи многокритериального сравнения объектов по величине ожидаемого ущерба к задаче их сопоставления по скалярной оценочной функции.

3. Разработан алгоритм двухкритериального ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности, предполагающий использование найденных значений вероятностей возникновения аварий и обобщенных интегральных показателей тяжести последствий. Результаты ранжирования служат основой для принятия управленческих решений по обеспечению заданного уровня безопасности в соответствующем регионе.

4. Предложен модифицированный алгоритм определения конфигурации и пространственного состояния зон загрязнения поверхности водоемов разлившимися нефтью и нефтепродуктами, учитывающий совокупность влияющих природных и техногенных факторов и используемый при оценивании экономических потерь от аварий на объектах водного ТНН.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Диссертационная работа является составной частью комплексных исследований по формированию структуры и принципов функционирования системы стратегического и оперативного управления безопасностью на объектах транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов. По результатам выполненных работ были внедрены в Научно-исследовательском институте безопасности и жизнедеятельности Республики Башкортостан:

- методика экспертного оценивания факторов влиния на аварийность объектов ТНН;

- методика формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий для оценивания степени потенциальной опасности объектов ТНН;

- программа моделирования распространения зон загрязнения водных объектов.

Внедрение указанных разработок позволило на 25% сократить время, затри-чиваемое на оценивание риска в связи с эксплуатацией объектов ТНН, а также повысить достоверность получаемых оценок, что увеличило эффективность управления безопасностью на этих объектах.

На защиту выносятся:

1. Метод и реализующие его алгоритмы определения величины вероятности возникновения аварий на объекте ТНН, учитывающие функции распределения субъективных вероятностей факторов влияния на аварийность и информацию о взаимосвязи этих факторов, которая получена на основе экспертного оценивания.

2. Метод и реализующие его алгоритмы формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий, учитывающие функции распределения вероятностей основных частных видов потенциального ущерба, исходные данные о которых получены на основе экспертного оценивания.

3. Алгоритм ранжирования объектов ТНН по степени опасности, использующий «принцип предосторожности» и учитывающий неопределенность в исходных данных.

4. Программные средства, осуществляющие поддержку принятия решений при оценивании показателей риска аварий на объектах ТНН (алгоритм и программа моделирования распространения зон нефтяного загрязнения на поверхностях водоемов; информационная система для сбора, обработки и анализа данных об авариях на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов).

Апробация работы. Результаты и положения исследовательской работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических и научно-практических конференциях:

1. II Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии в моделировании и управлении»: СПбГТУ, С.-Петербург, 2000.

2. Всероссийская конференция «Оценка и управление природными рисками»: ВНИИ ГОЧС, Москва, 2000.

3. IV Международная научно-практическая конференция «Биосферосов-местимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей средой»: Приволжский Дом знаний, Пенза, 2001.

4. Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации»: УГАТУ, Уфа, 2001.

5. III Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: МЧС РБ, Уфа, 2002.

6. Научная конференция «Сергеевские чтения»: ИГЭ РАН, Москва, 2003.

7. Научно-практическая конференция «Экологические проблемы устойчивого развития Республики Башкортостан»: УППК, Уфа, 2004.

8. Международная научная школа «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах»: ИПМаш РАН, С.-Петербург, 2005.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы были опубликованы в 10 источниках, включая 6 статей, 3 материала научных конференций, 1 программный продукт, зарегистрированный в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 152 страниц машинописного текста, включающего в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы из 102 наименований и приложения.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее задачи, отмечается новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе приведен обзор условий функционирования объектов ТНН, а также классифицированы возникающие аварии. Применительно к магистральным нефтепродуктопроводам и водным объектам ТНН проведен анализ существующих методик оценки риска. На основе системного подхода рассмотрены методы и алгоритмы обработки экспертной информации, а также подход к формализации степени неопределенности. На основе проведенного обзора сформулирована постановка задачи.

Вторая глава посвящена решению задачи определения вероятности возникновения аварии на объекте ТНН. Рассматриваются основные свойства специальных функций распределения вероятностей - копул, применительно к оценке вероятности возникновения аварии на объекте ТНН строится кусочно-равномерная аппроксимация, на основе которой, при использовании принципа максимизации энтропии, производится определение искомой вероятности.

Третья глава посвящена решению задачи формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий на объектах ТНН. Определение искомого показателя производится на основе принципа максимизации энтропии, т.е. с учетом исходной информационной неопределенности. Предложена методика ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности.

Четвертая глава посвящена рассмотрению методики определения конфигурации и пространственного местоположения пятна аварийного разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоема. Также рассматривается информационная система «Банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов» как составная часть системы по оцениванию риска возникновения аварий на объектах ТНН. Приводятся практические примеры по оцениванию степени потенциальной опасности объектов ТНН.

В заключении приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.

4.4. Основные результаты и выводы по главе 4 1. На основе подхода, предложенного в настоящей работе, решены задачи определения значений компонент оценочной функции риска аварий для различных участков конкретного МНПП. С использованием этой информации и «принципа предосторожности», который предполагает задание приоритета показателей тяжести последствий по отношению к вероятностям аварий, выполнено ранжирование указанных участков трубопровода по степени опасности. Исследование показало высокую адаптивность предложенных моделей к особенностям ситуаций, возникающих на практике и характеризующихся неопределенностью в исходных данных. Продемонстрировано, что разработанные модели обладают универсальностью, а соответствующие им алгоритмы - приемлемыми уровнями аналитической и вычислительной сложности.

2. На основе модификации существующей методики упрощенного расчета параметров распространения зоны аварийного разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов разработан алгоритм оценивания динамических характеристик распространения пятен разлива, позволяющий получать данные для определения конфигурации зоны аварийного разлива в расчетной акватории-в зависимости от времени. Актуальность выполненной разработки обусловлена необходимостью расчета меры тяжести последствий как компоненты оценочной функции риска применительно к объектам ВТНН. В соответствии с изложенным, оценивание обобщенного интегрального показателя тяжести последствий применительно к фиксированной акватории ВТНН должно включать в себя решение задачи анализа и прогноза распространения зоны аварийного разлива на поверхности водоема.

3. Разработано и исследовано программное средство расчета характеристик распространения зон загрязнения на поверхности водоема. Алгоритм, реализуемый отмеченным программным средством, базируется на применении предложенной распределенной модели и учитывает совокупность реальных воздействующих факторов. Программное средство показало эффективность при оценивании риска загрязнения определенных участков водоема (водозаборов) разлившимися нефтью и нефтепродуктами и может быть применено для определения значений показателей тяжести последствий аварий на объектах ВТНН.

4. Разработана структура базы данных информационной системы «Банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов», создан реализующий ее программный продукт. Указанная база данных позволяет проводить анализ ситуации с точки зрения техногенной безопасности объектов ТНН на территории промышленного региона. При этом обеспечивается интеграция и систематизация сведений об авариях и отказах на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов в Республике Башкортостан.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам проведенных исследований можно сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. В работе предложен метод определения вероятностей возникновения аварий на объектах ТНН с целью поддержки принятия решений при управлении безопасностью в промышленном регионе. Метод ориентирован на использование субъективных (экспертных) вероятностей и предполагает восстановление совместных функций распределения факторов влияния на аварийность на основе аппарата копул. При этом взаимосвязь факторов учитывается с помощью коэффициентов парных ранговых корреляций Спирмена или Кендалла, а результирующий вид плотности вероятностей для копулы находится путем максимизации энтропии совокупности рассматриваемых случайных переменных. Это позволяет уменьшить степень дополнительно вносимой в модель субъективной информации. В силу отмеченных особенностей применение метода повышает достоверность оценивания вероятностей аварий на объектах ТНН.

2. Разработан двухэтапный алгоритм формирования обобщенного интегрального показателя тяжести последствий аварий на ТНН, характеризующего возникновение потенциальных ущербов трех видов (для населения, природной среды и технических объектов). Показатель формируется как аддитивная свертка усредненных нормированных показателей частных видов потенциального ущерба. В свою очередь, коэффициенты свертки вычисляются в процессе применения принципа максимизации энтропии для взвешенной суммы случайных значений ущербов. Применение обобщенного интегрального показателя тяжести последствий обеспечивает возможность перехода от многокритериального сравнения объектов ТНН по величине ожидаемого ущерба к их сопоставлению по скалярной оценочной функции, что существенно облегчает принятие управленческих решений.

3. Разработан алгоритм двухкритериального ранжирования объектов ТНН по степени потенциальной опасности. Алгоритм основан на применении принципа предосторожности» и учитывает двумерную оценочную функцию риска, формируемую из ранее найденных компонент (вероятности возникновения аварии и меры тяжести последствий). На основе результатов ранжирования принимаются управленческие решения по предотвращению возникновения аварий на объектах ТНН, а также по подготовке к ликвидации возможных последствий.

4. Предложены алгоритмы и разработаны программные средства, предназначенные для использования в подсистеме информационной поддержки принятия решений системы стратегического управления безопасностью объектов ТНН. Одно из указанных средств реализует модель распространения зон загрязнения в результате разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности водоемов. Другой программный продукт представляет собой банк данных об аварийных разливах нефти и нефтепродуктов на территории Республики Башкортостан. Разработанные программные средства в совокупности с предложенными методами позволяют систематизировать основные операции, связанные с анализом техногенного риска по причине эксплуатации объектов ТНН.

Разработанные методики, алгоритмы и программные средства используются в Научно-исследовательском институте безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан. В настоящее время все эти компоненты успешно функционируют, что обеспечивает своевременную поддержку принятия решений, которые направлены на предотвращение возникновения аварийных ситуаций на объектах ТНН.

1. Балаба К.В. Определение обобщенных показателей риска аварий на магистральных нефтепроводах // Экологические проблемы устойчивого развития Республики Башкортостан. Материалы научно-практической конференции. -Уфа: УППК, 2004.-С.24-25.

2. Балаба К.В., Гусев Ю.М., Крымский В.Г. Энтропия в многокритериальном анализе техногенного и природного риска// Сергеевские чтения. Выпуск 5. Молодежная сессия. М.: ГЕОС, 2003. - С. 77-78.

3. Балаба К.В., Иванов И.В., Крымский В.Г., Митакович С.А., Павлов С.В., Тангатаров А.Ф. Программа моделирования распространения зон загрязнения водных объектов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004610474, Роспатент, 2004.

4. Балаба К.В., Коваленко И.И., Крымский В.Г. Формирование комплексных экспертных оценок тяжести последствий от воздействия факторов природной опасности // Материалы Всероссийской конференции «Риск-2000» -М.: Анкил, 2000. С. 156-160.

5. Балаба К.В., Крымский В.Г. Процедура формирования интегрального показателя свойств объекта для информационной поддержки принятия решений // Межвузовский научный сборник. Выпуск четвертый: Уфа: УГАТУ, 2001. -С. 82-89.

6. Ю.Бахтизин Р.Н., Васильев А.Н., Кутуков С.Е., Набиев P.P., Павлов С.В1 Применение ГИС для оценки экологического риска аварии на магистральном трубопроводе // Башкирский экологический вестник Уфа: Экология, 2000. -С.40-47.

7. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1974. - 159 с.

8. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Абузова Ф.Ф., Бронштейн И.С., Новоселов В.Ф. и др. М.: Недра, 1981.-248 с.

9. З.Бронштейн И:Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1964. -608 с.

10. М.Бурдаков Н.И., Кульба В.В., Назаретов В.Н. Концепция стратегического управления техногенным и природным риском в регионе // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 1992, №2. - С.52 - 57.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.

12. Вентцель Е.С. Овчаров JI.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.,- 1988. - 480 с.

13. Воробьев Ю.Л. Основные направления государственной стратегии снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций в Российской Федерации на период до 20 Юг // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 1997. №4. С.3-22.

14. Воронов А.А. Основы теории автоматического регулирования и управления. М.: Высшая школа, 1977. 519 с.

15. Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001.-459 с.

16. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1999.-479 с.

17. Гражданкин А.И., Дегтярев Д.В., Лисанов М.В., Печеркин А.С. Основные показатели риска в терминах теории вероятностей // Безопасность труда впромышленности, 2002, № 7. С.35-39.

18. Гражданкин А.И., Дегтярев Д.В., Лисанов М.В., Печеркин А.С., Сидоров В.И. Анализ риска аварий на нефтепроводных системах КТК-Р и БТС // Безопасность жизнедеятельности, 2002, № 6. С.17-22.

19. Гражданкин А.И., Лисанов М.В., Печеркин А.С., Сидоров В.И. Показатели и критерии опасности промышленных аварий // Безопасность труда в промышленности, 2003, № 3. С.30-32.

20. Дженнингс Р. Руководство разработчика баз данных на Visual Basic 6.0. СПб: Издательский дом «Вильяме», 2001. 976 с.

21. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем М.: Наука, 1986. - 296 с.

22. Евланов Л.Г. Теория и практика принятия решений М.: Экономика, 1984.- 176 с.

23. Евланов Л.Г., Кутузов В.А. Экспертные оценки в управлении. М.: Экономика, 1978. — 133 с.

24. Елохин А.Н;, Бодриков О.В., Ульянов С.В. и др. Методология комплексной оценки природных и техногенных рисков для населения, регионов России // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 1996, №11.-С.36-54.

25. Зиновьев А.В, Мастрюков Б.С., Меркулова A.M. Прогнозирование токсического поражения продуктами горения при пожаре разлития нефти // Безопасность жизнедеятельности. М.: 2003, № 7. — С.15-19.

26. Иванов И.Д. Эксплуатационные и аварийные потери нефтепродуктов и борьба с ними. Л.: Недра, 1973. -160 с.

27. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1986. -288 с.

28. Каталог технических средств, материалов, приборов и оборудования для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций от разлива нефти и нефтепродуктов. Уфа: ИППЭП, 1995.

29. Кини Р.Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения: Пер. с англ./Под ред. Шахнова И.Ф. М.: Радио и связь, 1981.-560 с.

30. Концепция Федеральной Целевой Программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2005 года» М.: МЧС России, 1997.

31. Кузнецов И.В., Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Методы расчета ущерба от катастроф различного типа // Экономика и математические методы. 1997. Т.ЗЗ, вып.4. — С.39-50.

32. Ларичев О.И. Наука и искусство принятия решений. М.: Наука, 1979.200 с.

33. Лисанов М.В. О техническом регулировании и критериях приемлемого риска // Безопасность труда в промышленности, 2004, №6.

34. Лисанов М.В., Печеркин А.С., Сидоров В.И., Швыряев А.А., Сафонов B.C., Назаров Н.П, Анисимов С.М., Борно О.И., Толмачев И.В; Оценка риска аварий на линейной части магистральных нефтепроводов // Безопасность труда в промышленности. 1998, № 9. С.50-56.

35. Лисин Ю.В. Система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на нефтепроводном транспорте, технологии повышения его эксплуатационной надежности // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. М.: 2001, Выпуск 5.

36. Макаров С.П. Технические и организационные мероприятия по снижению риска и смягчению последствий ЧС на магистральных нефтепродукто-проводах // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. М.: ВИНИТИ, 2001. Выпуск 5. - С.72-77.

37. Махутов Н.А., Пермяков В.И. Анализ предельных состояний и рисков тяжелых катастроф на трубопроводных системах // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. М.: ВИНИТИ, 2001, выпуск 5. - С.67-71.

38. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах / Руководящий документ Минтопэнерго РФ. АК «Транснефть». М.: Транспресс, 1996. - 67 с.

39. Методические рекомендации по разработке планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов / Утв. МЧС РБ, Госгортехнадзором и др. 22 марта 2002 года. 8 с.

40. Основные требования к разработке планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов и представлению отчетов о проведении операций по их ликвидации / Утв. Кабинетом Министров РБ 25 января 2002 года. 14 с.

41. План по предупреждению и ликвидации разливов нефти и продуктов ее переработки ЗАО «Судоходной компании Башволготанкер» / Тангатаров А.Ф., Митакович С.А. Уфа: НИИ БЖД РБ, 2002. - 99с.

42. Плис А.И., Сливина Н.А. Mathcad: математический практикум. М.:Финансы и статистика, 1999. 656 с.

43. Положение об организации мероприятий по ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на территории Республики Башкортостан / Утв. Кабинетом Министров РБ 25 января 2002 года. — 11 с.

44. Постановление Кабинета Министров Республики Башкортостан от 25 января 2002 года № 22 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов». 2 с.

45. Правила технической эксплуатации магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1988. -87с.

46. Райфа Г. Анализ решений: Пер. с англ. М.: Наука, 1977. - 409 с.

47. РД 03-409-01. Методика оценки последствий аварийных взрывов топ-ливно-воздушных смесей / Утв. Постановлением Госгортехнадзора России №37 от 24 августа 2001 года.

48. Республиканская целевая программа «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Республике Башкортостан до 2005 года.» Уфа, 2000. - 77с.

49. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. СПб: Политехника, 2000. - 248 с.

50. Себер Дж. Линейный регрессионный анализ. М.: Мир, 1980. 456 с.

51. Техника и технология транспорта и хранения нефти и газа / Абузова Ф.Ф., Алиев Р.А., Новоселов В.Ф. и др. М.: Недра, 1992. 320 с.

52. Ткачев О.А., Тугунов П.И. Сокращение потерь нефти при транспорте и хранении. М.: Недра, 1988. 118 с.

53. Трубопроводный транспорт нефти и газа / Алиев Р.А., Белоусов В.Д., Немудров А.Г. и др. М.: Недра, 1988. - 368 с.71 .Трухаев Р.И. Модели принятия решений в условиях неопределенности. М.: Наука, 1981. 258 с.

54. Туркин В.А. Оценка экологического риска при выполнении грузовых операций на танкерах // Безопасность жизнедеятельности. М., 2002, №8. С.28-33.

55. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 года № 7 ФЗ.

56. Федеральный закон «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» от 21 декабря 1994 года №68- ФЗ.

57. Ферстер Э., Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа. М.: Финансы и статистика, 1983. 302 с.

58. Фишберн П.С. Теория полезности для принятия решений. М.: Наука, 1978. -308 с.

59. Хамитов Р.З., Крымский В.Г., Павлов С.В. Построение системы стратегического управления уровнем безопасности в промышленном регионе (опыт Республики Башкортостан). Уфа, Экология, 1999. — 120с.

60. Щербаков С.Г., Бобровский С.А. Определение аварийного состояния нефтепроводов / Сер. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИОЭНР, 1968. - 48 с.

61. Энтропийные методы моделирования сложных систем. Вильсон А. Дж. /Перев. с англ. Дубова В .А. Под ред. Ю.С. Попкова. Наука, 1978. 248 с.

62. Bouye Е., Durrleman V., Nikeghbali A., Riboulet G., Roncalli Т. Copulas: an open field for risk management. March, 2001.

63. Bunea C., Bedford Т., The Effect of model Uncertainty on Maintenance Optimization // IEEE Transaction on Reliability, vol. 51, № 4, December 2002.

64. Clemen R.T., Reilly. Correlations and Copulas for Decision and Risk Analysis. March, 1997.

65. Cooke R.M. Experts in Uncertainty, Oxford University Press, New York, 1991.-324p.

66. Cooke R.M., Jager E.A. Probabilistic Model for the Failure Frequency of Undeground Gas Pipelines // Risk analysis, Vol. 18, № 4, 1998. PP.511-527.

67. Frank M.J. On the Simultaneous Associativity of F(x), x+y-F(x,y). Aequa-tiones Mathematicae. 1979, № 19. PP. 194-226.

68. Genest C., Mackay RJ. Copulas Archimedunnes et Families de lois Bidi-mensionelles don't les Marges sont Donnees. La Revue Canadienne de Statistique, 1986, 14. — PP.145-159.

69. Gokhale D.V., Press S.J. Assessment of a Prior Distribution for the Correlation Coefficient in a Bivariate Normal Distribution. Journal of the Royal Statistical Society (A), 145 Part 2, 1982. PP.237-249.

70. Krymsky V.G., Akhmedjanov F.M., Balaba K.V. Assessing risk associated with gas transmission pipeline: copula based approach // Modelling and Analysis of Safety and Risk in complex Systems/International Scientific School MASR-2005. -PP.400-405.

71. MacKenzie G.R. Approximately Maximum-Entropy Multivariate Distributions with Specified Marginals and Pairwise Correlations. Ph.D.Dissertation, University of Oregon, the USA, 1994. 56 p.

72. Morris P.A. Combining Expert Judgments: a Bayesian Approach. Management Science. 1977, 23. PP.679-693.

73. O'Riordan Т., Cameron J. Interpreting the Precautionary Principle. London: Earthscan Publishers, 1996.

74. Sclar A. Fonctions de repartition a n Dimensions et Leuers Marges/ l'lnstitut Statistique de Universite de Paris, vol. 8, 1959. PP.229-231.

75. Theil H. Fiebig D.G. Exploiting Continuity: Maximum Entropy Estimation of Continuous Distributions. Cambridge, Massachusetts, 1984.

76. Winkler R.L. Combining Probability Distributions from Dependent Sources. Management Science, 1981, 27. PP.479-488.