Разработка метода оценки индивидуального пожарного риска резервуарных парков с использованием теории нечетких множеств

В общем случае риск поражения при авариях и катастрофах обычно рассматривается как вероятность нанесения определенного ущерба человеку и окружающей среде или математическое ожидание ущерба. Величина указанной вероятности R может быть выражена в виде произведения трех компонент (факторов риска):

,

где: R1 – вероятность возникновения опасного события или явления; R2 – вероятность формирования и действия поражающих факторов в месте нахождения людей или объектов окружающей среды, риск поражения которых подлежит определению; R3 – вероятность того, что действие поражающих факторов приводит к определенному ущербу (поражению).

Для определения уровня индивидуального пожарного риска дополнительно необходимо учесть фактор вероятности присутствия персонала в зоне действия поражающих факторов R4.

Показано, что используемые в настоящее время теоретико-вероятностные методы не позволяют адекватно описать сложность связей между факторами риска и обладают рядом недостатков, существенно влияющих на достоверность результатов оценки. К наиболее значительным из них относятся высокая зависимость от статистических данных и низкая адаптация методик к особенностям анализируемого объекта. Кроме того, попытки решения существующей на сегодняшний день задачи комплексной оценки пожарного риска с высокой степенью достоверности, и, соответственно, учетом многофакторности, приводят к необоснованному занижению результатов оценки.

Не является исключением и утвержденная МЧС России методика – приказ от 10.07.2008 г. №404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на промышленных объектах».

В настоящее время нормируемые значения пожарного риска в нашей стране, являющиеся количественной основой принятия управленческих решений, определены положениями Федерального закона №123 ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

Величина индивидуального пожарного риска в зданиях, сооружениях, строениях и на территориях производственных объектов не должна превышать одну миллионную в год.

Для производственных объектов, на которых обеспечение величины индивидуального пожарного риска одной миллионной в год невозможно в связи со спецификой функционирования технологических процессов, допускается увеличение индивидуального пожарного риска до одной десятитысячной в год.

На основании проведенного в первой главе анализа сделан вывод о необходимости разработки метода оценки индивидуального пожарного риска, с математической обработкой данных, основанных на использовании теории нечетких множеств, позволяющего производить оценку риска с высокой степенью достоверности путем учета необходимого количества индивидуальных факторов объекта и неопределенности связей между этими факторами.

Глава 2 содержит описание операций над нечеткими множествами и обоснование возможности применения алгоритмов с нечеткими множествами к задачам оценки пожарного риска объектов нефтегазовой отрасли.

Вводится понятие лингвистической переменной как набора термов, описываются основные этапы алгоритмов нечеткого логического вывода. В настоящее время наибольшее практическое применение получили алгоритмы Мамдани и Сугено (работы А.Н. Аверкина, З.И. Батыршина и А.Ф. Блишун). Для оценки индивидуального пожарного риска объектов нефтегазовой отрасли также целесообразно использовать данные алгоритмы.

На первом этапе для каждой лингвистической переменной (фактора риска) определяется множество соответствующих ей лингвистических термов. Формируется база нечетких правил на основе известного шаблона: ПРАВИЛО_Х: ЕСЛИ “Условие_Х” ТО “Заключение_Х” (FX),

где FX – весовой коэффициент соответствующего правила.

Например: П1: ЕСЛИ Поражение = легкое ТО Риск = приемлемый;

П2: ЕСЛИ Поражение = сильное ТО Риск = неприемлемый.

Здесь поражение и риск представляют собой нечеткие лингвистические переменные, заданные своими лингвистическими термами. Рисунок 1 иллюстрирует переходы от условия к заключению, выраженные в термальной форме, где R и P – нечеткие множества риска и поражения соответственно.

Далее находятся степени истинности каждого из нечетких правил. Такая степень истинности представляется в виде усеченного терма (заштрихованная область термального заключения, представлена на рисунке 2).

Рисунок 1 – Графическая иллюстрация нечетких правил

Рисунок 2 – Ннахождение степени истинности

Иллюстрацией основных этапов для нечетких правил П1 и П2 служит рисунок 3, который представляет функцию принадлежности µ(R) нечеткого множества риска R (заштрихованная часть графика µ(R) после операции максимизации над результатом правил П1 и П2).

Далее находится обычное (четкое), то есть числовое значение риска R.

Среди многих методов (центра тяжести, центра площади, левого модального значения, правого модального значения) решено использовать метод центра тяжести, как наиболее наглядный и простой для вычислений: , где  четкое значение выходной переменной (риска);   итоговая функция принадлежности выходной переменной;   множество значений выходной переменной (риска); x – переменная интегрирования ().

Рисунок 3 – µ функция принадлежности нечеткого множества риск

В заключение второй главы показано, что перспективным математическим аппаратом, позволяющим реализовать научную задачу определения индивидуального пожарного риска объектов нефтегазовой отрасли, является аппарат теории нечетких множеств, позволяющий внести в данную область методологию системного анализа, основанного на учете многофакторности и неопределенности наступления нежелательных событий.

Глава 3 посвящена разработке метода оценки индивидуального пожарного риска резервуарных парков, объектов нефтегазовой отрасли с использованием теории нечетких множеств путем конструирования систем нечеткого логического вывода, позволяющих производить многофакторную оценку риска в условиях неопределенности. Разработаны две модели нечетких систем.

Разработана комплексная логическая модель функционирования установки подготовки нефти, состоящая из четырех частей: словесная часть модели функционирования опасного производственного объекта (ОПО), две графических части модели функционирования ОПО в нормальных производственных условиях и в условиях моделируемой аварийной ситуации, математическая часть модели расчета зон действия поражающих факторов аварии. В целях адаптации к действующим ОПО нефтегазовой отрасли, на примере ОАО «Самаранефтегаз», в качестве фактической основы для разработки комплексной модели была выбрана типовая площадка установки подготовки нефти, как объект, входящий в наиболее многочисленную группу объектов подготовки нефти и имеющий необходимую для решения научной задачи инфраструктуру. Комплексная модель представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 Комплексная модель потенциально опасного объекта

Комплексная модель позволила выделить факторы пожарного риска (факторы влияния), которые в дальнейшем использовались при разработке матрицы системы экспертной оценки частоты разгерметизации вертикальных резервуаров, спрогнозировать стадийность в развитии аварии и показать зоны распространения поражающих факторов, действующих на производственный персонал.

Проведен статистический анализ накопленных данных аварийности резервуарного оборудования объектов нефтегазовой отрасли, позволивший разделить причины аварий на три группы: общие, системно-технологические и эксплуатационные, всего 20 факторов (пример одного из факторов представлен в таблице 2).

Таблица 2 – Фактор аварийности резервуара дата ввода в эксплуатацию

№ п/п	Наименование фактора ввод в эксплуатацию	Баллы
1	Не более 1-го года после окончания строительства	0
2	От 1-го до 3-х лет после окончания строительства	5
3	От 1-го до 3-х лет после окончания строительства с учетом необходимого обслуживания	1,5
4	Более 3-х лет	7

Результаты анализа использованы при разработке методики экспертной оценки частоты разгерметизации вертикальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, расширяющей многофакторность процесса оценки пожарного риска. Методика позволяет, путем учета индивидуальных характеристик самого резервуара и объекта в целом, получить интегральный коэффициент kвл, учитывающий во сколько раз интенсивность аварий на рассматриваемом резервуаре р отличается от среднестатистического значения ср.

В рамках главы разработан метод оценки индивидуального пожарного риска с использованием теории нечетких множеств, учитывающий четыре параметра (фактора риска): вероятность аварии, вероятность реализации механизма воздействия, вероятность поражения и вероятность присутствия работника на территории объекта. Количество факторов риска, учтенных при построении нечетких систем, выбрано в целях определения сходимости результатов оценки риска, рассчитанных по существующему и предлагаемому методам. Данный подход обеспечивает наглядность анализа результатов. В качестве традиционной методики оценки пожарного риска выбрана методика расчета величин пожарного риска, введенная в действие Приказом МЧС России от 10.07.2008 г. №404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на промышленных объектах».

Предлагаемый в работе метод оценки индивидуального пожарного риска имеет характер нечеткой системы, а сам процесс вычисления состоит из основных этапов формирования поверхности нечеткого отклика.

Определены нечеткие множества, характеризующие входные и выходную переменные. Множества описываются характеристическими функциями, принимающими значения в интервале от нуля до единицы, определяющими степень предпочтения соответствующего фактора. Функции определялись, основываясь на статистические данные, в некоторых случаях на основе экспертной оценки.

Соответствие “четких” входных и выходных переменных системы лингвистическим переменным приведено в таблице 3.

Таблица 3 – Принятые лингвистические переменные нечеткой системы оценки индивидуального пожарного риска

Имя переменной	Тип переменной	Диапазон значений	Лингвистическая переменная
Вероятность аварии, 1/год	Входная	10-6 … 10-4	Инцидент
Вероятность зажигания, 1/год	Входная	10-2 … 10-1	Зажигание
Вероятность поражения, %	Входная	0 … 100 %	Поражение
Вероятность присутствия	Входная	0,1 … 1	Присутствие
Индивидуальный пожарный риск Ri, 1/год	Выходная	10-8 … 10-4	Индивидуальный риск

Диапазоны значений переменных в основном обоснованы положениями вышеупомянутого приказа МЧС России №404.

Каждая лингвистическая переменная задана соответствующими лингвистическими термами:

индивидуальный риск = {приемлемый, допустимый, не допустимый };

инцидент = { низкий, средний, высокий };

зажигание = { редкое, частое };

поражение = { легкое, среднее, тяжелое, смертельное }.

Выявлены условия соответствия (правила) между входными и выходными нечеткими переменными. Структура правил определяется форматом “если - то”. Формирование правил выполнено после обработки большого ряда результатов экспертных оценок.

Таблица 4 – Связь входных переменных с выходной

Инд. риск		Инцидент
Присутствие – обычное
Зажигание Редкое		Частый	Средний	Редкий
Поражение	Смертельное	Не приемлемый	Допустимый	Приемлемый
	Тяжелое	Допустимый	Приемлемый	Приемлемый
	Среднее	Приемлемый	Приемлемый	Приемлемый
	Легкое	Приемлемый	Приемлемый	Приемлемый
Зажигание Часто		Частый	Средний	Редкий
Поражение	Смертельное	Не приемлемый	Допустимый	Приемлемый
	Тяжелое	Допустимый	Приемлемый	Приемлемый
	Среднее	Допустимый	Приемлемый	Приемлемый
	Легкое	Приемлемый	Приемлемый	Приемлемый
Присутствие – постоянное
Зажигание Редкое		Частый	Средний	Редкий
Поражение	Смертельное	Не приемлемый	Не приемлемый	Допустимый
	Тяжелое	Не приемлемый	Допустимый	Приемлемый
	Среднее	Допустимый	Приемлемый	Приемлемый
	Легкое	Приемлемый	Приемлемый	Приемлемый
Зажигание Часто		Частый	Средний	Редкий
Поражение	Смертельное	Не приемлемый	Не приемлемый	Допустимый
	Тяжелое	Не приемлемый	Допустимый	Допустимый
	Среднее	Допустимый	Допустимый	Приемлемый
	Легкое	Допустимый	Приемлемый	Приемлемый