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.

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 R_ИСХ до допустимого R_ДОП=R_ИСХ-Δ^H_R, 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:

Δ^H_R=Δ^BC_R + Δ^СБ_R + Δ^ДС_R , где Δ^H_R — необходимое снижение риска;
Δ^BC_R + Δ^СБ_R + Δ^ДС_R — снижение риска с помощью внешних средств, систем безопасности и других средств соответственно.

Выбор наилучшего (оптимального) соотношения Δ^BC.opt_R, Δ^СБ.opt_R, Δ^ДС.opt_R   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].

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  R_ДОП ;
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={t_i}, i=1…NT и их источников S={S_i}, i=1…NS,рисков R={R_i}, i=1…NR, уязвимостей V={V_i}, i=1…NV, объектов воздействия (реципиентов) O={O_i}, i=1…NO, и способов противодействия (подсистем МФСБ), Z= {<Ф_i, Ц_i>}, i=1…NZ, где <Ф_i, Ц_i> 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= {<Ф_i, Ц_i>},  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

Ξ_МФСБ = {[ Z∈ Ф(π) ]}A{[ V∈ Ο]}→Extr (1),

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

Min_1…NZMAX_1…NTR_Σ (2),

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

Ο

определяются выражениями

p_Σ = max_j p_j  и Y_{Σ}=Σ^{NY}_{i=1}\times Y_j и соответственно, где  p_j   =p(T,R,V,S,O,Z) — вероятность j — го  сценария возникновения и развития аварии и Y_i = 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 p_j и Y_i, 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 p_max, Y_max — максимально допустимые риска и ущерб соответственно; L_max максимально допустимая стоимость МфСБ. При этом для вектора Ω если ω_k = 1, то применяется k— я подсистема (функция) МФСБ, характеризующаяся парой {<L_k, C_k>}, 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)