О задаче оптимального проектирования многофунциональных систем безопасности угольных шахт

В соответствии с «Правилами безопасности в угольных шахтах» (Приказ Ростехнадзора от 19.11.2013 № 550 (ред. от 02.04.2015)), угольные шахты должны быть оборудованы многофункциональными системами безопасности (МФСБ).

Там же в общем виде определены функции, назначение и состав МФСБ, которая рассматривается как «взаимосвязанный комплекс технических, технологических, инженерных и информационных систем, производственных мероприятий и персонала, которые реализуют проектные решения и обеспечивают снижение уровня риска, обусловленного горно-геологическими условиями и производственными планами шахты, до допустимого путём:

  • противодействия условиям возникновения аварий и снижения вероятности возникновения условий для реализации аварий;
  • снижения вероятности реализации аварии при наличии соответствующих условий;
  • предотвращения развития аварии и уменьшения ущерба от ее реализации, за счет предоставления в нормальных, предаварийных, аварийных условиях и при ликвидации последствий аварий оперативной и достоверной информации о состоянии, тенденциях и признаках опасных ситуаций, состояний и явлений, получаемой путем прямых измерений и комплексной обработки данных от различных информационных, измерительных, управляющих и противоаварийных систем;
  • осуществления противоаварийного управления и защиты; обеспечения постоянной готовности средств и систем защиты и спасения».

Это позволяет рассматривать МФСБ как автоматизированную систему (АС) менеджмента риска эксплуатации угольной шахты, в которой обеспечивается информационная поддержка принятия решений на основе результатов контроля опасностей и оценки рисков в течение всего жизненного цикла шахты, и непосредственное воздействие на технологические (ТП) и производственные процессы (ПП).

При этом в процесс менеджмента риска, который неразрывно связан с процессом управления, вовлечены все подсистемы шахты.

Далее под риском понимается математическое ожидание потерь или их интенсивность , где – вероятностью аварии (опасного события), наступающего при совпадении иницирующих условий и событий (например, наличие взрывоопасной пылегазовой смеси и источника энергии достаточной мощности) и – потери (ущерб), возникающий при реализации и развитии аварии.

Структура риска и способов воздействия на него в рамках МФСБ
Рис. 1. Структура риска и способов воздействия на него в рамках МФСБ

При рассмотрении функций и состава МФСБ, обеспечивающих снижения уровня риска с исходного до допустимого, возникает первая задача – соотнесения МФСБ с эксплуатируемыми на шахтах автоматизированными системами управления (АСУ) ТП и АСУ ПП, измерительными и информационными системами.

Так, в «Правилах безопасности в угольных шахтах» указано, что в состав МФСБ входят следующие системы:

  • контроля и управления стационарными вентиляторными установками, вентиляторами местного проветривания и газоотсасывающими установками (ГОУ);
  • контроля и управления дегазационными установками (ДГУ) и подземной дегазационной сетью;
  • аэрогазового контроля (АГК);
  • контроля запыленности воздуха;
  • обнаружения ранних признаков эндогенных и экзогенных пожаров и локализации экзогенных пожаров;
  • контроля и управления пожарным водоснабжением;
  • связи, оповещения и определения местоположения персонала;
  • взрывозащиты горных выработок ГОУ, ДГУ и их трубопроводов.

Возможны различные подходы, наиболее спорным [1] является включение в МФСБ всех АСУ и информационных систем, связанных с ТП и ПП угольной шахты на основании обоснованного утверждения об их прямом или косвенном влиянии на промышленную и производственную безопасность и охрану труда.

Такой подход в силу своей комплексности и всеохватности выглядит привлекательным, но по этим же причинам исключает саму возможность реализации МФСБ и может рассматриваться только как идеализированная цель, обоснованность и возможность достижения которой требует отдельного рассмотрения.

В связи с этим важно отметить, что не существует подобных промышленных всеобъемлющих информационных автоматизированных систем, используемых для управления промышленной безопасностью даже для опасных производственных объектов (ОПО) с низким уровнем неопределенности, которые функционируют в мало изменяющейся внешней среде и являются стационарными во времени и пространстве.

Предлагается при определении минимальных состава и функций МФСБ, что является важной проблемой технического нормирования и проектирования, в соответствии с [2], учитывать только:

взрывы газа и угольной пыли;
пожары; внезапные выбросы угля и газа;
горные удары и обрушения; прорывы воды, глины, пульпы;
затопления горных выработок и проникновения токсичных веществ в горные выработки.

Также необходимо ограничиться учетом только режимных, проектных и запроектных опасных ситуаций и явлений.

При этом в обязательном порядке и в полной мере необходимо учитывать режимные и проектные опасные ситуации и явления, в том числе разумно предсказуемое неправильное использование систем и оборудования (по [3]), а запроектные ситуации и явления необходимо рассматривать в границах плана ликвидации аварии.

Такие ограничения позволяют разделить функции МФСБ и АСУ ТП и ПП и проводить рациональный синтез МФСБ, что является актуальной научно-практической задачей.

В качестве научно и практически обоснованной концепции построения МФСБ целесообразно использовать известную модель обеспечения безопасности, которая широко и успешно применяется группа стандартов ГОСТ Р МЭК 61508.

С использованием терминологии этих стандартов применительно к угольным шахтам можно говорить, что для снижения исходного уровня риска, обусловленного горно-геологическими условиями и производственными планами шахты, до допустимого применяются проектные решения, технические, технологические и инженерные системы, обученный персонал и методы управления
производством, которые принято разделять на три группы:

а) внешние средства снижения риска (внешние средства), противодействующие условиям возникновения аварий и снижающие вероятность возникновения инициирующих условий для реализации аварий; внешним средствам соответствуют ТП, ПП и АСУ управления ими, которые предназначены для использования в нормальных режимах работы шахты и предусматривают ручной, автоматизированный и автоматический режимы управления ТП и ПП;

б) системы, связанные с безопасностью (системы безопасности), блокирующие или снижающие вероятность возникновения инициирующих событий при наличии инициирующих условий; к системам безопасности относятся системы противоаварийной защиты (ПАЗ), которые предназначены для работы в предаварийных ситуациях и отличительной чертой которых является их автоматическая работа и локальная реализация;

в) другие средства снижения риска (другие средства), предотвращающие развитие аварии и уменьшающие ущерб от ее реализации; другим средствам соответствуют средства и системы защиты от вредного воздействия факторов аварии и спасения, предназначенные для использования в аварийных режимах работы шахты. Важно отметить, что внешние средства и системы безопасности уменьшают вероятность аварии , а другие средства ущерб от нее .

К внешним средствам снижения риска относятся следующие электрические, электронные и программируемые системы (ЭЭПС):

а) системы, связанные с контролем и управлением аэрологическим состоянием горных выработок;

б) системы контроля и прогноза газодинамических явлений;

в) системы противопожарной защиты (ППЗ) и системы контроля и управления пожарным водоснабжением;

г) системы связи, оповещения и определения местоположения персонала: система определения местоположения персонала в горных выработках шахты (система технологического позиционирования); система оперативной и громкоговорящей связи;

д) средства взрывозащиты – система контроля за состоянием средств взрывозащиты горных выработок, газоотсасывающих и дегазационных трубопроводов и установок.

К ЭЭПС безопасности относятся:

а) системы, связанные с контролем и управлением технологическим оборудованием и персоналом в функции аэрологического состояния горных выработок – средства АГЗ и индивидуальные средства газоанализа;

б) системы пожаротушения. ЭЭПС безопасности обеспечивают прямое противоаварийное управление ТП и инженерными системами и с помощью сигнализации воздействуют на персонал. Алгоритмы их функционирования в явном виде сформулированы в нормативных документах в виде четких ограничений и запретов на измеряемые и контролируемые параметры и состояния.

К ЭЭПС, относящимся к другим средствам снижения риска, следует отнести:

а) индивидуальные средства газоанализа;

б) средства ППЗ;

в) средства связи, оповещения и определения местоположения персонала: система поиска и обнаружения людей, застигнутых аварией (система аварийного позиционирования); система аварийной подземной связи; система аварийного оповещения;

г)средства связи с подразделением ВГСЧ, обслуживающим шахту;

д) системы контроля и управления средствами взрывозащиты горных выработок, газоотсасывающих и дегазационных трубопроводов и установок.

Таким образом, необходимое снижение уровня риска эксплуатации шахты с исходного RИСХ до допустимого RДОП=RИСХHR, осуществляемого в том числе за счет выбора ЭЭПС МФСБ (Рис. 1), может быть достигнуто многими способами путем изменения соотношения вкладов внешних средств, систем безопасности и других средств:

ΔHRBCR + ΔСБR + ΔДСR , где ΔHR — необходимое снижение риска;
ΔBCR + ΔСБR + ΔДСR — снижение риска с помощью внешних средств, систем безопасности и других средств соответственно.

Выбор наилучшего (оптимального) соотношения ΔBC.optR, ΔСБ.optR, ΔДС.optR   является второй и основной задачей оптимального проектирования МФСБ. При этом необходимо учитывать, что меры по снижению вероятности аварии эффективнее мер, направленных на снижение возможных ущербов по критерию «затраты-результаты», на два-три порядка [4].

Выбор проектных решений по МФСБ как задача оптимизации
Рис. 2. Выбор проектных решений по МФСБ как задача оптимизации

Задача проектирования МФСБ является типичной задачей оптимизации (Рис. 2).

Диапазон ее решения (выбора проектных решений) широк: от исключения использования любых средств снижения риска до допустимого уровня и готовности компенсировать любые ущербы, что характерно для предприятий со сверхдоходами, до использования какого-либо одного способа (снизить уровень аэрологического риска до допустимого можно только за счет ТП и ПП и АСУ управления ими, например, обеспечив полную дегазацию угольного пласта).

Любом случае проектанты должны определить оптимальные для конкретных горно-геологических условий и экономических целей и условий перечень технологий, процессов, систем, собственники – обеспечить условия для реализации проектных решений, а работники – реализацию проектных решений и выявление необходимости их корректирования в процессе эксплуатации.

В настоящее время для реализации такого подхода отсутствуют необходимые компоненты: целевое значение допустимого риска  RДОП ;
методики оценивания влияния на уровень риска различных горно-геологических условий, проектных решений, технологий и пр.; методы количественного оценивания риска.

Формализуем задачу оптимального проектирования МФСБ на основе подхода, изложенного в [5]. Примем следующее:

а) ОПО характеризуется множествами угроз  T={ti}, i=1…NT и их источников S={Si}, i=1…NS,рисков R={Ri}, i=1…NR, уязвимостей V={Vi}, i=1…NV, объектов воздействия (реципиентов) O={Oi}, i=1…NO, и способов противодействия (подсистем МФСБ), Z= {<Фi, Цi>}, i=1…NZ, где i, Цi> функция МФСБ и ее стоимость;

б) есть множество вариантов ∏ построения МФСБ, которому соответствует множество выполняемых функций Ф(π), π∈∏, из которого необходимо выбрать подмножество  Z= {<Фi, Цi>},  обеспечивающее достижения цели синтеза МФСБ;

в) есть множество Ο , описывающее угольную шахту как ОПО, который характеризуется множеством угроз T, уязвимостей V, и связей между ними , где – множество уязвимостей относительно j — й угрозы. Тогда синтез МФСБ состоит в определении оператора A отображающего множество реализуемых функций Ф(π) на множество объектов взаимодействия Ο , обеспечивающий экстремум целевой функции

ΞМФСБ = {[ Z∈ Ф(π) ]}A{[ VΟ]}→Extr (1),

Это позволяет сформулировать оптимизационную задачу синтеза МФСБ в виде минимаксного критерия, соответствующего минимуму риска при максимуме угроз:

Min1…NZMAX1…NTRΣ (2),

где RΣ={<pΣ, YΣ>} — целевая функция в качестве которой принят интегрированный риск, который зависит от суммарного ущерба YΣ и вероятности аварии pΣ. Пусть наиболее вероятный сценарий и суммарный ущерб по всем видам ущерба для различных сценариев аварий на множестве

Ο

определяются выражениями

pΣ = maxj pj  и Y_{Σ}=Σ^{NY}_{i=1}\times Y_j и соответственно, где  pj   =p(T,R,V,S,O,Z) — вероятность j — го  сценария возникновения и развития аварии и Yi = Y(T,R,V,S,O,Z)– соответствующий ему ущерб.

Тогда при известных T,R,V,S,O,Z, которые являются совпадающими областями определения для pj и Yi, задачу (2) можно свести к матричной антогонистической игре, решение которой может быть найдено методами линейного программирования в виде булевого вектора Ω = (ω1,…,ωN), ωn ∈{0,1}, который описывает оптимальное решение для (2) в измененной формулировке:

\begin{Bmatrix}{Min_{1...NZ}\times Max_{1...NT}\times R_Σ;}\\{p_{Σ}\times p_{max};}\\{Y_Σ \times Y_{max}}\\{Σ^N_{n=1}\times Ω_n\times L_n \times L_{max}}\end{Bmatrix}

где pmax, Ymax — максимально допустимые риска и ущерб соответственно; Lmax максимально допустимая стоимость МфСБ. При этом для вектора Ω если ωk = 1, то применяется k— я подсистема (функция) МФСБ, характеризующаяся парой {<Lk, Ck>}, 0 — в противном случае.

В настоящее время на этапе проектирования в том или ином виде осуществляется анализ рисков, в результате которого выбираются способ отработки угольного массива и оборудование технологического комплекса, определяются номинальные режимы работы и т. д., но при эксплуатации угольной шахты целенаправленное количественное оценивание риска не осуществляется:

  • персонал во многом лишен текущей актуальной информации для принятия оперативных управленческих решений на различных уровнях;
  • выполняются лишь измерения, косвенным образом характеризующие аэрологический, геодинамический, пожарный и другие факторы риска;
  • постоянный анализ риска на разных стадиях жизненного цикла шахты фактически заменен на следование требованиям нормативной документации.

При этом проектирование фактически базируется на прецедентной основе, имеющей форму объемных «Правил безопасности в угольных шахтах», в которых приведены все требования, которые необходимо соблюдать в предположении, что это обеспечит требуемый уровень безопасности – допустимый уровень риска.

Однако новые технологии ведения горных работ входят в противоречия с требованиями нормативных документов и прецедентным подходом. Поэтому перспективным является сокращение обязательных требований правил безопасности с одновременной разработкой научно обоснованных методов проектирования, нацеленных на достижение требуемых экономических показателей при накладываемых ограничениях по рискам, оценивания и управления рисками эксплуатации угольных шахт.

В статье представлена попытка формализовать постановку задачи оптимального проектирования (определения состава и функций) МфСБ, обеспечивающей достижение допустимого риска при финансовых ограничениях, и указать возможные пути решения ее.

Очевидно, что представленные результаты пока носят академический характер, а их реальное применение возможно только при численном определении множеств T,R,V,S,O,Z определении множеств и характеристик подсистем (функций) МФСБ в части их способности снижения соответствующих факторов риска и стоимости.

Обоснованные проектные решения, соответствующие текущим горно-геологическим условиям, точное следование проектам и отсутствие значительных отклонений от расчетных значений, характеризующих основные параметры ТП и ПП, вносят основной вклад в обеспечение безопасности, так как предотвращают возникновение условий для реализации аварий. решение этих задач должно обеспечиваться АСУ ТП и ПП, именно они вместе с информационным, алгоритмическим и программным обеспечением МФСБ должны обеспечивать нормальное функционирование шахты в режимных, проектных и запроектных опасных ситуациях или нормальных, предаварийных и аварийных режимах.

Библиографический список

1. Развитие многофункциональной системы безопасности (МФСБ) на подземных угледобывающих предприятиях. Концепция [Электронный ресурс] / ВостНИИ, 2014.– режим доступа: http://www.nc-vostnii.ru/forum/viewtopic.php?f=28&t=46&start=30.

2. Инструкция по составлению планов ликвидации аварий на угольных шахтах. Серия 05. Вып. 20. – М. : ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. – 118 с.

3. ИСО/МЭК Руководство 51:1999. Аспекты безопасности. Руководящие указанияпо включению их в стандарты [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://www.iso.org/iso/ru/ iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=32893.

4. Белов, П. Г. Теоретические основы системной инженерии безопасности / П. Г. Белов. – Киев : КМУ ГА, 1997. – 426 с.

5. Семин, В. Г. Обобщенный алгоритм управления рисками автоматизированных систем / В. Г. Семин // Динамика сложных систем. – 2012. – Т. 6. – № 4. – С. 90-96.

Текст: Бабенко А. Г., Вильгельм А. В. (Уральский государственный горный университет)

Отраслевые решения

Подпишитесь
на ежемесячный дайджест актуальных тем
для специалистов отрасли.

Исключительно отраслевая тематика. Никакого спама 100%.