Системный анализ аварийных комбинаций событий при управлении человеко-машинными системами

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

А. Ф. Резчиков, А. С. Богомолов

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ КОМБИНАЦИЙ СОБЫТИЙ

ПРИ УПРАВЛЕНИИ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫМИ СИСТЕМАМИ

Саратов Издательство Саратовского университета

2021

1.2.Математические модели и методы предотвращения аварий . 12

1.3.Автоматизированные и программные комплексы для анали-

3

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время используется широкий спектр математических моделей, методов и алгоритмов для диагностирования, предупреждения и парирования различных типов и классов отказов и ошибок, возникающих при управлении человеко-машинными системами (ЧМС). Тем не менее на практике возникают серьёзные нарушения функционирования, вызывающие аварии и катастрофы. В значительном количестве случаев такие нарушения объясняются совпадениями во времени дефектов техники, программного обеспечения и человеческих ошибок, относительно неопасных по отдельности, но приводящих к аварии при возникновении в определенном порядке на определенном отрезке времени. Такие совпадения называются в представленной монографии аварийными комбинациями событий. Возникновение и развитие аварийных комбинаций событий при управлении ЧМС является проблемой, для решения которой требуется разработка моделей, методов и алгоритмов системного анализа аварийных комбинаций событий для их своевременного предупреждения или парирования.

Предупреждению, диагностированию и парированию комплексов отказов и ошибок в сложных системах посвящены работы многих исследователей. В области разработки методов логико-вероятностного анализа безопасности и эффективности технических систем, позволяющих определять вероятность наступления сочетаний отказов и предотвращать такие сочетания при проектировании сложных систем, необходимо отметить работы Д. А. Поспелова, И. А. Рябинина, А. С. Можаева, И. А. Ушакова, А. М. Половко, В. В. Калашникова, В. А. Острейковского, Ю. В. Швыряева, Г. Левитина, А. Лиснянского, В. С. Викторовой, Н. В. Лубкова, А. С. Степанянца, Д. Бохманна, Х. Постхофа, A. Thayse, L. Вimbaum, C. Brown, М. Daviо, J. Мuziо, C. Moragа, D. Rine, J. Fussell, W. E. Vesely и Е. Zio, в которых, в частности, было развито логическое дифференциальное исчисление, позволяющее оценивать вероятность аварии при изменении состояния элементов системы.

5

Резчиков А. Ф., Богомолов А. С. Системный анализ аварийных комбинаций событий

Ввопросах диагностирования и парирования отказов и ошибок различных классов в дискретных системах следует выделить исследования научной школы А. М. Богомолова: в области методов контроля и диагностирования в процессах функционирования и развития сложных систем, – работы В. А. Твердохлебова, в области методов функционального восстановления дискретных систем, позволяющих добиться реализации требуемых функций в условиях возникновения определенных классов ошибок, – работы А. А. Сытника, в вопросах диагностирования

иконтролепригодности дискретных систем – работы Д. В. Сперанского

иих учеников. Научной школой под руководством Г. В. Новожилова, А. Ф. Резчикова, В. А. Твердохлебова, В. А. Иващенко, В. А. Кушникова разрабатываются модели и методы системного анализа безопасности транспортных систем при управлении в условиях критических сочетаний разнородных событий. Методы численных оценок опасности приближения нескольких параметров полета летательного аппарата к критическим значениям разрабатывались Н. Н. Макаровым и В. М. Солдаткиным.

Вобласти исследования оптимизации структур и процессов функционирования систем необходимо отметить исследования В. А. Горбатова, В. М. Глушкова, В. А. Трапезникова, П. П. Пархоменко, Н. П. Бусленко, В. В. Калашникова, Н. Н. Моисеева, Ю. Б. Гермейера, В. М. Матросова, В. А. Коптюга, В. А. Садовничего, Г. Г. Малинецкого, М. Ф. Каравая, В. Н. Буркова, С. Н. Васильева, Д. А. Новикова, А. Д. Цвиркуна, В. В. Кульбы, А. А. Галяева, В. Б. Кудрявцева; в области обеспечения и поддержания безопасности сложных систем – Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляева, R. Barlow и F. Proschan; в теории живучести технических

иорганизационных систем – Ю. И. Стекольникова и Б. С. Флейшмана; в области анализа безопасности техногенных систем – Н. А. Махутова, Б. Г. Волика, П. Г. Белова и В. В. Болотина; в области теории проблем управления сложными динамическими системами – Б. Н. Петрова, А. А. Красовского, Л. C. Понтрягина, Р. Беллмана, Д. М. Джордана, Дж. Форрестера; в области эргономических и инженерно-психологиче- ских аспектов работы операторов ЧМС – Б. Ф. Ломова, В. Ф. Венды, Ю. П. Доброленского; в области управления динамическими системами в условиях неопределенности – Ю. М. Гусева, Б. Г. Ильясова, B. И. Васильева, Ю. С. Кабальнова, Г. Г. Куликова, В. Г. Крымского, В. Н. Ефанова.

Для анализа влияния различных событий на функционирование сложных систем используются методы общей теории систем, системного анализа, дискретной и непрерывной математики, теории вероят-

6

Введение

ностей, математической статистики. Определены в стандартах и исследованы методы анализа логических деревьев отказов (FTA, Fault Tree Analysis) и событий (ETA, Event Tree Analysis), анализа видов и критичности отказов (FME(С)A, Failure Modes Effects (and Criticality)), работоспособности системы (HAZOP, Hazardand Operability Studies) и структурных схем надежности (RBD, Reliability Block Diagram).

Метод FTA для анализа влияния совокупности отказов на работоспособность системы и определения причин корневого события применяется обычно на этапе проектирования объектов. Метод ETA позволяет определить спектр последствий корневого события. Метод анализа риска FME(С)A применяют при эксплуатации и модернизации объектов. Он позволяет определять относительную опасность отказов и их совокупности. Для этого строятся матрицы критичности, которые анализируются методами нечеткой логики и теории вероятности с использованием нейронных сетей. Аппарат логического (в частности, булева) дифференциального исчисления дает возможность определить вероятность возникновения отказа системы при частичном или полном отказе различных её элементов. При этом перечисленные методы не определяют вероятности наступления аварийных комбинаций событий и путей предотвращения этих комбинаций, и кроме того, рассматривают опасность событий как постоянную статическую величину. Метод HAZOP не дает рекомендаций по предупреждению аварийных комбинаций событий. Метод RBD не различает причин отказов и не используется при эксплуатации систем. Конкретные рекомендации по уменьшению вероятности аварии он также не позволяет определить. Такие ограничения свойственны и статистическим методам, результаты применения которых сводятся к значениям частоты рассматриваемых событий.

Поэтому существующие системы предупреждают об отдельных неблагоприятных событиях без количественного анализа их суммарного эффекта и взаимодействия с уже произошедшими событиями. Количественный анализ суммарного эффекта неблагоприятных событий осуществляется, как правило, на этапах проектирования, а системы, действующие в процессе эксплуатации, в качестве результата анализа опасности выдают качественные значения. Достаточно ограниченно представлено и определение количественных рекомендаций по предотвращению развития аварийных комбинаций разнородных событий, приводящих к авариям и катастрофам при управлении ЧМС.

В связи со сказанным остается актуальным вопрос определения методов выбора управляющих воздействий, позволяющих снизить вероятность развития аварийных комбинаций, в том числе в процессе

7

Резчиков А. Ф., Богомолов А. С. Системный анализ аварийных комбинаций событий

функционирования системы. Такие методы должны учитывать порядок наступления потенциально неблагоприятных событий при анализе их аварийных комбинаций, определении вероятностей аварий и управлении предупреждением их развития. При этом важно учитывать, что возникающая совокупность неблагоприятных событий может стать началом развития многих различных сценариев рассматриваемых аварий, так что предпринимаемые управляющие воздействия должны оказывать влияние на все эти сценарии при условии ограничения материальных ресурсов и ресурсов времени. Решение данного вопроса является целью исследования в настоящей монографии.

Авторами монографии представлены следующие основные результаты:

–предложены содержательное описание, системный анализ и постановка проблемы аварийных комбинаций событий, приводящих к авариям и катастрофам в ЧМС, определен и поставлен комплекс задач для решения данной проблемы;

–построен комплекс математических моделей и методов для решения задачи управления процессом предотвращения аварийных комбинаций событий;

–предложены подходы к определению вероятностей и управляющего воздействия по предотвращению аварийных комбинаций событий с учетом порядка их наступления;

–выполнена постановка новой задачи управления процессом вывода ЧМС из состояния неполной определенности; построены математические модели и предложены методы решения этой задачи, позволяющие существенно снизить ее размерность;

–разработаны математические модели и методы решения задачи анализа и прогнозирования динамики показателей возникновения аварийных комбинаций событий, учитывающие непостоянный характер связей между этими показателями и позволяющие выполнить своевременный прогноз последствий воздействий по предотвращению аварийных комбинаций событий на различных интервалах времени;

–разработана и применена методика подтверждения адекватности полученных результатов в составе систем управления ЧМС.

Использование перечисленных результатов позволит определять управляющие воздействия по предотвращению сложно предсказуемых нарушений функционирования ЧМС, вызванных совокупным воздействием внешних событий, отказов техники и человеческого фактора.

8

Г л а в а 1

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙ В ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ СИСТЕМАХ

1.1. Причины аварий при управлении человеко-машинными системами

Современные человеко-машинные системы и их комплексы с организационными составляющими – добывающие, перерабатывающие, энергетические и промышленные предприятия, а также наземные, водные и авиационно-космические транспортные комплексы – включают штат лиц, принимающих решения, операторов, машины, а также сложную внутреннюю среду функционирования, в которой взаимодействует большое количество разнородных процессов. Функционирование каждой из таких систем оказывает значительное влияние на внешнюю природную, социальную среду и работу других ЧМС. Поэтому аварии ЧМС причиняют большой ущерб людям, окружающей среде и социально-эко- номической ситуации в стране. Как показывает статистика, тенденция количества аварий по отдельным странам носит изменчивый характер, однако масштаб разрушений и социально-экономических последствий, вызванных отдельными крупными авариями, растет. При этом часто катастрофы, которые рассматриваются как природные, также тесно связаны с нарушением функционирования техногенных объектов.

Развитие структур управления ЧМС не решает проблемы возникновения техногенных аварий и даже усугубляет её в ряде случаев изза трудностей освоения операторами сложных интерфейсов и роста интенсивности потоков информации.

Как показывает анализ расследования аварий, среди их причин чаще всего встречаются отказы технических систем из-за дефектов де-

10