Миронов С.В., Пищухин А.М. Метасистемный подход в управлении

Подождите немного. Документ загружается.

121

8 Управление безопасностью при эксплуатации промыш-

ленных объектов

Стратегию управления промышленной безопасностью региона необхо-

димо строить на основе метасистемного подхода. При этом решается шесть

задач, суть которых значительно отличается от описанных ранее.

Термин промышленная безопасность появился сравнительно недавно.

Ранее все, что стоит за этим понятием, относилось к охране труда. «Переход-

ным» термином можно считать – технику безопасности. Изменение названий

в данном случае влечет за собой изменение сущности, так как меняется объ-

ект исследования, управления, наконец, объект, на который направлена дея-

тельность в области промышленной безопасности.

Промышленная безопасность – это область науки и техники, изучаю-

щая причины возникновения, закономерности проявления и развития, мето-

ды и средства превентивного и текущего управления природными и техно-

генными явлениями разрушительного и пожароопасного характера, сопро-

вождающимися значительным ущербом /112/.

Основная деятельность в области промышленной безопасности должна

сводиться к мероприятиям, выявляющим и предотвращающим природные и

техногенные проявления, приносящие вред здоровью общества либо эконо-

мические, материальные потери и естественно она должна быть сознатель-

ной, оптимально управляемой.

С точки зрения управления процессами необходимо иметь «датчики»

информации о состоянии опасных промышленных объектов и «рычаги (ка-

налы)» управляющих воздействий на выявленные опасности, промышленно-

го характера.

Схема системы управления уровнем безопасности, о необходимости ко-

торой известно давно /113/, изображена на рисунке 8.1. В отличие от упомя-

нутой работы она носит не комплексный, а метасистемный и даже матрич-

ный /114/ характер, то есть состоит из нескольких довольно независимых

между собой систем - отдельных предприятий и объектов в одном направле-

нии и нескольких уровней иерархии управления (уровней предприятия, опас-

ного объекта, опасных мест и технологий повышения безопасности) в дру-

гом. В качестве «датчиков» информации для принятия решения используется

достаточно развитый сегодня институт экспертизы опасных промышленных

объектов. Управляющие же воздействия ввиду явной иерархичности процес-

са управления будут разными в зависимости от уровня. На верхних уровнях

воздействия будут в основном экономическими, на нижних уровнях они сво-

дятся к техническим мероприятиям и режимам (технологиям повышения

безопасности).

Метасистемный характер управления требует решения шести задач /11/.

Применительно к управлению промышленной безопасностью смысл этих за-

дач кардинально меняется.

122

1) выявление условий и границ диапазонов значений факторов, при ко-

торых возникает опасность от того или иного промышленного объекта;

2) разработка стратегии направления управляющих воздействий на наи-

более опасные объекты;

3) определение объемов и последовательности мероприятий (а также их

проведение), снижающих опасность конкретного объекта (в соответствии с

выбранной стратегией);

4) выявление общих аспектов опасности объектов с целью оптимизации

набора, снижающих опасность технологий;

5) оптимальное перераспределение ресурсов между объектами с одина-

ковым рангом опасности;

6) ограничение общего количества объектов, влекущих наибольшую

опасность.

С помощью экспертизы выявляется на уровне региона ранжированный

ряд опасных предприятий, на уровне предприятия – ранжированный ряд

опасных объектов и сооружений, на уровне опасных объектов - ранжирован-

ный ряд опасных мест, и, самое главное этот ряд увязывается с диапазоном

123

Рисунок 8.1 – Система управления уровнем безопасности региона

Уровень опас-

ных пред-тий

Уровень опас-

ных установок

и соо

ру

жений

Уровень опас-

ных мест

Уровень технологий

повышения безопасно-

сти

Цель – поддержание безопасности

егиона на максимальном уровне

Предпри-

ятие 1

Предприятие

Уста-

новка 11

Уста-

новка 12

Установ-

ка 1M

Опасное

место 111

Опасное

место 112

Опасное

место 11K

Объект управления – уровень безопасности региона

Изменение внешних ус-

ловий

Монито

инг

безопасно-

сти

Оптималь-

ное перерас-

пределение

ресурсов

предприятия

оптимальное

перераспре-

деление ре-

гиональных

ресурсов

Выбор и реа-

лизация оп-

тимальной

технологии

повышения

безопас-сти

Оптималь-

ное перерас-

пределение

ресурсов,

выделенных

на установку

Технология 1111

Технология 1112

Технология 111L

•••

•

значений факторов, в которых опасность от конкретного объекта повышается

до предельной. Это необходимо для построения многомерного пространства,

в котором конкретные условия в регионе будут давать изображающую точку

(или некоторую область вокруг этой точки в силу приблизительности многих

оценок), по движению которой может быть спрогнозирована стратегия на-

правления управляющих воздействий.

Сама стратегия должна определять моменты переключения управленче-

ского внимания, а также количество опасных объектов, принимаемых во

внимание на каждом промежутке времени. При этом для ее разработки мо-

жет использоваться метод, отличающийся от вышеописанного, что приведет

к соответствующему изменению первой задачи метасистемного подхода.

Третья задача, решаемая при метасистемном подходе к управлению

уровнем промышленной опасности в регионе, диаметрально противоположна

обычному подходу, когда система, входящая в метасистему, заранее готови-

лась к использованию (включению) /115/. В данном случае все мероприятия

направлены как раз на отстранение опасного объекта от попадания в зону

управления. Следовательно критерий оптимизации, разработанный в /115/ в

виде разности плотностей вероятности потребности в системе и готовности

ее к использованию меняется на разность плотности вероятности (ω), что

внешние и внутренние неуправляемые параметры выведут данный объект на

предел опасности и вероятности (ω

) того, что проводимые мероприятия

«уведут» его от этого

−

s . (8.1)

Понятно, что новый критерий должен максимизироваться в отличие от

известного. Данный критерий требует даже прекращения эксплуатации опас-

ного промышленного объекта при достижении им критического значения.

Таким образом, возникает задача поддержания низкого уровня опасно-

сти объекта, за счет различных мероприятий, несмотря на изменение не-

управляемых параметров.

Внешним (возмущающим) процессом при управлении является резкое

изменение таких параметров как ресурс опасного объекта, неблагоприятная

экологическая, экономическая обстановка, соседство с другими опасными и

некоторых других, описываемых вектором X. Считая этот процесс марков-

ским, воспользуемся уравнением Колмогорова с правой частью:

)t(f

)t,X(b

)t,X(a

∂

ω∂

−

∂

ω∂

∂

ω∂

, (8.2)

где а – коэффициент сноса;

b – коэффициент диффузии;

f(t) – возмущающее воздействие.

Для адекватного функционирования метасистема, включающая набор

средств снижения риска аварии, должна подчиняться тому же уравнению,

что и внешний процесс (для адекватного реагирования) с добавлением в пра-

125

вой части управляющего воздействия – u(X,t). Самостоятельность метаси-

стемы выражается не только в появлении управляющих воздействий, но и в

другой величине плотности вероятности, которая отражает вероятность при-

ближения риска аварии к недопустимой границе – ω

. Таким образом, урав-

нение (2) преобразуется к следующему виду:

)t,X(u)t(f

)t,X(b

)t,X(a

∂

ω∂

−

∂

ω∂

∂

ω∂

, (8.3)

Принимая, что оба процесса подвергаются одинаковым возмущениям, и

подставляя сюда вместо f(t) его выражение из уравнения (2), после приведе-

ния подобных членов, получаем:

)t,X(u

)(

)t,X(b

)(

)t,X(a

)(

∂

ω−ω∂

−

∂

ω−ω∂

∂

ω−ω∂

. (8.4)

Используя (1) преобразуем уравнение (4) к следующему виду

)t,X(u

)t,X(b

)t,X(a

∂

−

∂

. (8.5)

Теперь можно сформулировать задачу оптимизации.

В качестве критерия оптимальности можно было бы принять сумму по-

терь от малой разности двух вероятностей и затрат на рискоснижающие ме-

роприятия, которые можно оценивать в соответствии с /115/ с помощью вир-

туальной работы управляющих воздействий:

() ( )

πσ

τ=σ

∫∫

∞−

−

∞

∞−

dXde

,XuA

(8.6)

В данном случае принят закон распределения Гаусса с дисперсией σ для

вероятности отклонения потребности от среднего значения. Однако в этом

случае приходим к вырожденным уравнениям Эйлера, которые не позволяют

определить минимум.

Примем в соответствии с теорией аналитического конструирования оп-

тимальных регуляторов, предложенной профессором Летовым А.М. /116/, в

качестве критерия оптимальности сумму квадратов потерь, зависящих от раз-

ности вероятностей (1) и затрат управляющих воздействий:

mindt)qsu(F

→−=

∫

(8.7)

где

q – размерный коэффициент.

В такой постановке задача оптимизации включает критерий (8.7), урав-

нение (8.5) с соответствующим начальным и граничными значениями, иг-

рающее роль некоторых условий обязательных к выполнению. Кроме того, в

зависимости от времени начала рискоснижающих мероприятий по отноше-

нию к возникающей возможности повышения опасности, меняется интен-

сивность проведения этих мероприятий и соответственно затраты на управ-

126

ление. Это означает, что имеет место задача с подвижной верхней границей,

а, значит, на этой границе должно выполняться условие трансверсальности

экстремалей функционала (8.7) кривой, по которой скользит верхняя грани-

ца.

Таким образом, сформулированная задача позволяет определить опти-

мальный закон изменения управляющих воздействий, направляемых на под-

держание вероятности повышения опасности на приемлемом уровне во вре-

мени и в зависимости от изменения внешних условий.

Данная задача оптимизации относится к классу задач на условный экс-

тремум и сводится к классическому случаю с помощью одного множителя

Лагранжа

λ:

mindt)u

qsu(F

→













−

∂

+λ+−=

∫

(8.8).

Для нахождения экстремалей данного функционала составляем три

уравнения Эйлера:

;0=

∂

−

∂

;0=

∂

−

∂

−

∂

(8.9)

где

f – подынтегральное выражение функционала (8.8). Здесь точка

сверху символа означает производную по времени.

Выполняя дифференцирование, имеем:

;

qs 02 =

−−

;u02

2dt

=−

∂

+ u

(8.10)

Сюда же добавляем условия трансверсальности на подвижной верхней

границе функционала /117/

0|))((

=−+

fsf

(8.11)

где

φ - уравнение кривой, по которой скользит верхний предел функ-

ционала. Здесь штрих сверху символа означает дифференцирование по

параметру, приведенному в качестве нижнего индекса.

Для использования этого условия необходимо знать зависимость разно-

сти вероятностей

s от интенсивности проведения рискоснижающих меро-

приятий. Очевидно, что чем выше эта интенсивность (обусловленная резким

изменением условий) тем больше вероятность того, что подготовительные

мероприятия в срок не завершатся. Поэтому примем указанную зависимость

в первом приближении линейной.

127

С другой стороны, необходимо знать, как интенсивность проведения

рискоснижаяющих мероприятий зависит от времени. Понятно, что чем

больше времени на проведение мероприятий, тем интенсивность их проведе-

ния ниже. И наоборот, она возрастает до бесконечности, если время на их

проведение приближается к нулю. Следовательно, окончательную

зависимость можно принять гиперболической:

(8.12),

где

k – коэффициент пропорциональности, а виртуальная работа А вы-

числяется по формуле (8.6).

Теперь можно провести вычисления по формуле (8.11). Они дают:

=λ−

−+−

∂

+λ+−

τ=t

|})

dsA

k()u

(qsu{ (8.13).

С помощью второго уравнения (8.10) можно исключить

λ из дальнейших

выкладок, а третье уравнение, как уравнение экстремали, обязательное к вы-

полнению везде, а значит и на границе диапазона изменения

t, упрощает

уравнение (8.13):

=λ−

−+−

τ=t

|})

dsA

k(qsu{ (8.14).

Из этого уравнения можно определить оптимальное время

τ, необходи-

мое на рискосохраняющие мероприятия.

Производя все необходимые подстановки в третье уравнение (8.10) по-

лучаем:

=−

∂∂

∂

∂∂

∂

+ u

(8.15).

Четвертая задача имеет особое значение в связи с унификацией средств

повышения промбезопасности. При отыскании опасностей одинакового или

близкого характера в разных и многих объектах можно оптимизировать ар-

сенал средств, отработать и сделать их высоконадежными. Тем самым можно

экономить средства на дорогостоящих, но редкоиспользуемых технологиях.

Пятая задача посвящена одному из самых важных вопросов - об опти-

мальном перераспределении финансовых, материальных и кадровых ресур-

сов, позволяющих максимизировать уровень промышленной безопасности

региона, предприятия, объекта или сооружения.

Можно конечно равномерно «размазать» средства по всем опасным

предприятиям и объектам. Ясно, однако, что при этом общий уровень безо-

пасности не будет максимальным. Необходимо «кумулятивно» расходовать

средства в самых опасных местах, тогда эффект будет наибольшим.

При самом крупном делении оптимизируются средства, выделяемые на

экспертизу с одной стороны и на повышение безопасности с другой. Эти два

аспекта противоречивы: уменьшая степень осведомленности о потенциаль-

ных опасностях (затраты на экспертизу), увеличиваем расходы на повышение

уровня безопасности, но рискуем допустить большие потери от необнару-

128

женной неглубокой экспертизой опасности и наоборот. Следовательно, необ-

ходимо оптимизировать суммарные затраты:

∑

→+

min)]З(ПЗ[ (8.16),

где N – последовательно, в зависимости от уровня, на котором решается за-

дача оптимизации – количество опасных предприятий в регионе, опасных

объектов на предприятии, опасных мест в конкретном опасном объекте, З

–

текущие затраты на экспертизу. Если известна зависимость потерь от глуби-

ны экспертизы (осуществляемых на нее затрат), а также ограничения, нала-

гаемые природой опасного объекта

ZЗ

∈

и коэффициенты ранжирования опасностей, то минимизацией данного кри-

терия можно оптимально перераспределить выделяемые ресурсы.

Получив размер затрат, направляемых на осуществление экспертизы,

можно вычитанием их из общей суммы, выделяемой на повышение уровня

безопасности, получить размер средств, которые можно потратить на техно-

логические приемы, снижающие риск аварий. Распределение этих средств по

опасным объектам также может быть оптимизировано. Для этого необходимо

минимизировать следующий критерий

min)]Т(ПT[

→+

∑

(8.17),

где Т

– последовательно, в зависимости от уровня, затраты на повышение

безопасности предприятия, объекта на предприятии, конкретной зоны объек-

та (опасного места), наконец на реализацию конкретной технологии повыше-

ния безопасности, вплоть до повышения квалификации персонала, П(Т

) –

потери от выбора не лучшей технологии (в силу недостатка средств) либо от

проведения ее не на лучших режимах. Опять-таки, если известна зависимость

потерь от эффективности технологии (осуществляемых на нее затрат), а так-

же ограничения, налагаемые природой опасного объекта

ℑ

∈

и коэффициенты ранжирования опасностей, то минимизацией данного кри-

терия можно оптимально перераспределить выделяемые на повышение безо-

пасности ресурсы.

Наконец, последняя задача метасистемного подхода связана с синтезом

метасистемы. Здесь необходимо определиться в первую очередь с критерием,

по которому будут проранжированы все опасные объекты. Тогда включать в

метасистему придется наиболее опасные до того момента, пока не кончатся

выделенные для этого ресурсы.

Таким критерием может быть отношение возможных от промышленной

аварии потерь, умноженных на риск аварии к затратам, которые необходимы,

чтобы данных потерь избежать.

129

9 Метасистемная модель функционирования сортировоч-

ной станции

Уменьшение объёмов железнодорожных перевозок при существую-

щей большой организационно-технологической структуре ведёт к повыше-

нию их стоимости, к резкому снижению эффективности работы сортиро-

вочных станций. В этих условиях возрастает необходимость оптимизации

имеющихся кадровых и материальных ресурсов, гибкого реагирования на

быстроизменяющуюся транспортную обстановку.

Кроме того, имеется тенденция к обособлению, специализации многих

служб. Например, обслуживание пассажирских поездов выделяется в отдель-

ное предприятие внутри общероссийской железнодорожной компании. В та-

ких условиях железнодорожное хозяйство и сортировочная станция адекват-

нее всего представляются совокупностью нескольких независимых систем -

метасистемой.

В системологии Дж. Клира /1/ существуют два способа интегрирования

систем в единое целое: образование структурированной системы путём вы-

деления подсистем первого уровня и дальнейшего дробления их на подсис-

темы второго, третьего и т. д. уровней или создание метасистемы из несколь-

ких систем и выбор в каждый момент одной или нескольких функциони-

рующих с помощью правила замены. Эти два способа характеризуются тремя

существенными отличиями.

В структурированной системе:

- элементы связаны непосредственной (информационной) связью;

- все элементы задействованы во время функционирования системы;

- синтез проводится по принципу полноты и достаточности.

В метасистеме:

- каждый элемент самодостаточен и связан с другими элементами лишь

косвенно, через верхний уровень управления;

- в каждый момент времени задействован лишь один или несколько эле-

ментов, то есть имеются простаивающие и неиспользуемые элементы;

- количество элементов в метасистеме не является строгим; элементы

могут дробиться, интегрироваться, к метасистеме могут добавляться новые

элементы, либо исключаться наименее эффективные.

Сортировочная станция является сложным и ответственным объектом

управления, который характеризуется быстрым изменением обстановки.

Принятие неправильного решения в таких условиях резко снижает эффек-

тивность ее функционирования, может привести к непоправимым последст-

виям. К тому же повышение быстродействия ответной реакции требует опе-

режения, а следовательно, прогнозирования складывающейся обстановки.

Большие объёмы информации и требуемая скорость ее обработки делают не-

обходимым применение систем компьютерной поддержки, функционирую-

щих так же как и сама сортировочная станция на метасистемном принципе.

Докажем последнее положение.

130

При функционировании сортировочной станции явно выделяются не-

сколько слабо связанных структур: пассажирского обслуживания, путевого

хозяйства и сооружений, грузовых перевозок, локомотивного и вагонного

обслуживания, сигнализации централизации и блокировки, материально-

технического обеспечения, информационного обслуживания и так далее.

Во время приёма и обслуживания поездов не все эти структуры задей-

ствованы. Например, при обслуживании грузовых поездов пассажирская

служба не используется. Лишь при необходимости используются: снегоочи-

стка, пожаротушение, восстановительный поезд и так далее.

Количество служб (систем) на сортировочной станции может меняться

в зависимости от объёма работ, средств. Например, при большом объёме

сортировочной работы создаются две горочные системы. И наоборот, при

уменьшении объёмов перевозок объединяются локомотивные депо, закры-

ваются станции.

По этим трем признакам функционирование сортировочной станции

носит явно выраженный метасистемный характер.

При метасистемном подходе необходимо решить следующие типовые

задачи /11/:

- выявление диапазонов эффективного функционирования систем;

- оценка и повышение необходимого уровня готовности систем к ис-

пользованию;

- выявление и обеспечение сочетаемости, согласованного взаимодейст-

вия систем;

- разработка стратегии переключения отдельных или групп одновре-

менно функционирующих систем;

- оптимальное перераспределение ограниченных общесистемных ре-

сурсов;

- оптимальный синтез метасистемы.

Метасистемный анализ удобнее всего начинать с выявления диапазо-

нов оптимального функционирования систем, поскольку на их основе в даль-

нейшем удобно разрабатывать стратегию выбора.

При решении этой задачи важно помнить, что метасистема возникает

там и тогда, где и когда диапазон решаемой задачи настолько велик, что он

не перекрывается использованием одной системы, либо эта система функ-

ционирует неэффективно в некоторых частях общего диапазона. Поэтому и

возникает задача выявления границ, разделяющих поддиапазоны эффектив-

ного функционирования систем. Применительно к сортировочной станции

легко проводятся границы между службами, задействованными при приёме

грузов или пассажиров, транзитных или разборочных поездов. Труднее раз-

делить функции пункта технического обслуживания поездов. Здесь необхо-

димо искать дополнительные параметры при приёме разных типов поездов:

длина состава, скорость его движения, выделяемые пути для их остановки и

так далее.

Главными функциями сортировочных станций являются разборка и

формирование составов, а также обслуживание транзитных поездов. Поэтому