2. Принципы обеспечения безопасности - Управление риском. Риск. Устойчивое развитие. Синергетика - Неизвестен - Синергетика

2.1. Объективность существования и роста масштаба природно-техногенных опасностей связана с возможностью нежелательного и неконтролируемого высвобождения потоков энергии и вещества, искажением потоков информации. Для снижения возможности и размеров причинения ущерба от них людским, материальным и природным ресурсам необходима система обеспечения безопасности в техногенной и природно-техногенной сферах, являющаяся подсистемой обеспечения национальной безопасности и представляющая собой совокупность нормативных актов, организационно-технических мероприятий и соответствующих им сил и средств.

2.2. Цель данной системы должна заключаться в минимизации тех социально-экономических издержек (затрат на уменьшение возможности разрушительного высвобождения и распространения упомянутых в п. 2.1 потоков материи и энергии, а также ущерба в случае их появления), которые обусловлены объективно существующими природно-техногенными опасностями. Основные задачи системы состоят в:

         предупреждении гибели и других несчастных случаев с людьми;

         исключении природно-техногенных аварий и катастроф в гражданском и военном комплексах;

         уменьшении загрязнения окружающей природной среды последствиями аварий и катастроф и другими побочными опасными результатами повседневной жизнедеятельности человека;

         заблаговременном принятии мер по подготовке и ведению аварийно-спасательных работ и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций;

         наиболее эффективном использовании сил и средств, выделенных для совершенствования методов и средств обеспечения безопасности.

2.3. Кардинальными направлениями функционирования системы безопасности должны быть максимально возможное сокращение чрезвычайно энергоемких и токсичных технологических процессов, создание условий, исключающих образование причинных цепей нежелательного высвобождения и распространения мощных потоков энергии и вещества, принятие мер по снижению ущерба при их возникновении. Для большей целенаправленности и эффективности реализации данных направлений работы системы могут разрабатываться соответствующие программы и подсистемы оперативного управления их выполнением.

2.4. Недопущение условий возникновения причинных цепей аварий и катастроф может быть достигнуто сокращением числа соответствующих предпосылок (ошибок и несанкционированных действий работающих, отказов и неисправностей на потенциально опасных объектах, нерасчетных воздействий на них извне) и недопущением их перерастания в причинную цепь нежелательного высвобождения и распространения потоков энергии и вещества. Реализация этих условий предполагает необходимость в обеспечении профессиональной пригодности работающих, поддержании используемых объектов в технически безопасном состоянии, создании для них безопасных условий рабочей среды, выборе совершенной технологии и организации работ.

2.5. Высокая профессиональная пригодность (обученность и технологическая дисциплинированность) работающих должна достигаться непрерывным обучением и воспитанием руководителей и исполнителей работ в духе безусловного выполнения установленных и усиливаемых мер, правил безопасности и технологии работ. Теоретическое и практическое обучение участников работ должно проводиться в соответствии с программами подготовки персонала потенциально опасных объектов, с использованием учебно-тренировочных средств либо штатного производственного оборудования.

2.6. Обеспечение инженерной безопасности (с учетом надежности, эргономичности и экологичности) объектов достигается проектированием и изготовлением его с соблюдением соответствующих требований, а также своевременным и качественным проведением установленных видов проверок, технического освидетельствования и обслуживания, поддержанием его в готовности к применению по назначению. Особое внимание при этом следует уделять тем узлам и элементам, которые обеспечивают хранение и распространение в нужных направлениях потоков энергии и вещества, измерение и регулирование их энергетических или токсичных потенциалов, локализацию либо нейтрализацию возможных утечек.

2.7. Создание безопасных условий для операторов, населения, объектов и территорий предполагает заблаговременное обустройство и оборудование сооружений, производственных помещений и рабочих мест средствами обеспечения, поддержания и контроля физико-химических и биологических параметров, оснащение их необходимыми групповыми и индивидуальными средствами защиты, нормативными документами по мерам и правилам безопасности, средствами сигнализации и оповещения, оперативной диагностики и оказания экстренной медицинской помощи пострадавшим. Конкретный состав перечисленных и иных средств должен определяться указаниями федеральных надзорных органов, ведомственными руководствами и инструкциями.

2.8. Совершенная (в смысле безопасности) технология и организация жизнедеятельности подразумевает установление такого порядка подготовки и выполнения работ, при котором учитывается практическая невозможность в настоящее время полного исключения ошибочных действий людей, отказов производственного оборудования и нерасчетных (неожиданных для людей и превышающих допустимые значения для оборудования) внешних воздействий. Поэтому при проведении наиболее энергоемких, сложных и особо ответственных технологических и производственных операций необходимо принимать меры по своевременному выявлению перечисленных предпосылок к аварийным происшествиям, недопущению образования из них причинной цепи, локализации или ликвидации других их вредных последствий.

2.9. Снижение ущерба от аварийных происшествий, обусловленных нежелательным высвобождением и неконтролируемым распространением потоков энергии и вещества, должно достигаться максимально возможным сокращением числа чрезвычайно мощных, токсичных и агрессивных технологических объектов, уменьшением вероятности аварийных происшествий на них, а также принятием мер по постепенному сокращению объемов непрерывных энергетических и вредных материальных выбросов, заблаговременному оповещению и обучению персонала и близпроживающего населения действиям по ликвидации последствий техногенных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций.

2.10. Наиболее эффективное использование сил и средств системы обеспечения безопасности предполагает более широкое использование современных математических и машинных методов анализа, синтеза и оценки эффективности разрабатываемых организационно-технических мероприятий по недопущению аварийных происшествий и снижению ущерба в случае их появления, выбор из них оптимальных по принятым критериям комплексов таких и других мероприятий. Для решения этой задачи необходимо быстрейшее внедрение в практику методов математической статистики, моделирования процессов возникновения катастроф и уменьшения ущерба от них, исследования операций и математического программирования аварийных ситуаций.

2.11. Дальнейшее совершенствование безопасности функционирования эксплуатируемых ныне и вновь создаваемых производственных и технологических объектов невозможно без управления процессом обеспечения безопасности. Такое управление включает четыре взаимосвязанных задачи: обоснование, обеспечение, контроль и поддержание оптимальных по суммарным социально-экономическим издержкам количественных показателей безопасности. Эти задачи следует решать на всех этапах жизненного цикла – от составления технического задания на разработку до снятия с эксплуатации потенциально опасных объектов и реабилитации среды обитания и жизнедеятельности в зонах расположения этих объектов.

2.12. Для реализации задач, указанных выше в п.п. 2.1‑2.11, могут быть использованы основные как существующие, так и новые принципы и подходы в обеспечении безопасности сложных технических систем:

         принцип единичного отказа (независимо от уровня надежности и безопасности система должна оставаться работоспособной при отказе любого элемента системы);

         принцип безопасного отказа (наиболее вероятные отказы – системы аварийной защиты – САЗ должны быть безопасными – они должны способствовать ложному срабатыванию САЗ, чем ее опасному отказу);

         принцип многоуровневой защиты (создание последовательных уровней безопасности, сокращающих вероятность аварий и ограничивающих их последствия);

         принцип комбинированной защиты (объединение систем жесткой и функциональной защиты потенциально опасных объектов от аварий и катастроф);

         принцип самозащищенности систем (создание систем с пассивными и внутренне присущими характеристиками безопасности);

         принцип обоснованного доказательства требуемой безопасности (обоснование принятых критериев и методов обеспечения безопасности в соответствии с действующими правовыми и нормативно-техническими документами);

         принцип защиты на реализацию потенциально опасного проекта (отказ на федеральном уровне от реализации проекта по результатам государственной региональной или международной экспертизы необоснованности безопасности по комплексу базовых критериев).

2.13. Настоящие Федеральные руководящие документы имеют целью формирование и реализацию изложенных выше принципов поэтапного обеспечения безопасности в техногенной и природно-техногенной сферах с учетом крайней ограниченности возможностей сложившихся традиционных подходов и реального снижения безопасности при резком переходе к новому неоправданно высокому уровню безопасности.

Приложение B. Базовый набор индикаторов устойчивого развития (по "Повестке дня на 21 век")

Приложение C. Состав информации о чрезвычайных ситуациях (прогнозируемой и по фактам ЧС), представляемой в МЧС России федеральными органами исполнительной власти и органами исполнительной власти субъектов РФ

Приложение D. Анализ эффективности управленческих решений с использованием знаковых графов

Анализ характера динамических процессов (в частности, устойчивости), возникающих в условиях ЧС под действием возмущений различной природы, является важным звеном формальных процедур решения широкого класса задач управления в системах такого класса. Характерными задачами этого вида являются: выработка стратегии региональной экологической политики, выбор и исследование эффективности экономических и правовых механизмов регулирования техногенного и природного рисков, прогнозирование тенденций в общественно-политических процессах и ряд других.

Большинству практических приложений задач указанного класса присущ низкий уровень точности исходных данных и качественный характер описания ряда зависимостей, что делает бессмысленным стремление к получению строгих количественных решений на точных количественных моделях.

В этих условиях повышается роль методов анализа, позволяющих судить о динамических процессах и устойчивости на основе информации о структурных особенностях исследуемой системы.

Рассмотрим возможность использования аппарата знаковых ориентированных графов (орграфов) для анализа динамических процессов в условиях ЧС. Целесообразность и перспективность этого аппарата в данной предметной области определяется, во-первых, его относительной математической простотой, что позволяет преодолеть известный барьер высокой вычислительной трудоемкости, возникающей из-за необходимости учета множества существенных факторов, во-вторых, слабой чувствительностью к точности исходных данных и возможностью построения адекватных моделей на зависимостях качественного типа.

Математическая модель знаковых, взвешенных знаковых, функциональных знаковых орграфов является расширением математической модели орграфов. Кроме орграфа G(X,E), в модель включаются следующие компоненты:

Множество параметров вершин V = {vi, i £ N = ||X||}. Каждой вершине xi ставится в соответствие ее параметр vi Î V.

Функционал преобразования дуг F(V,E), каждой дуге ставится в соответствие либо знак, либо вес, либо функция.

Если функционал F(vi,vj,eij) равен 1, когда рост (падение) vi вызывает рост (падение) vj и ‑1, когда рост (падение) vi вызывает падение (рост) vj, то такая модель называется знаковым орграфом.

Если функционал F(vi,vj,eij) равен +wij, когда рост (падение) vi вызывает рост (падение) vj и ‑wij, когда рост (падение) vi вызывает падение (рост) vj, то такая модель называется взвешенным знаковым орграфом. Здесь wij является весом соответствующей дуги.

Если функция имеет вид F(vi,vj,eij) = fij(vi,vj), то такая модель называется функциональным знаковым орграфом.

На расширенных таким образом орграфах вводится понятие импульса и импульсного процесса в дискретном временном пространстве.

Импульсом Pi(n) в вершине xi в момент времени n Î N называется изменение параметра в этой вершине в момент времени n:

.  (1)

Значение параметра в вершине x определяется соотношением

    (2)

Здесь Pi0(n) - внешний импульс, вносимый в вершину ei в момент времени n. Из конечно-разностных уравнений (1)–(2) легко получить уравнение для импульса в исследуемом процессе:

.

Импульсный процесс называется автономным, если

.

Импульсный процесс называется простым, если

.

Используются понятия четного и нечетного циклов. Четный цикл имеет положительное произведение знаков всех входящих в него дуг, нечетный - отрицательное. Четный цикл является простейшей моделью структурной неустойчивости, так как любое начальное изменение параметра в любой его вершине приводит к неограниченному росту модуля параметров вершин цикла, в то время как любое начальное изменение параметра любой вершины нечетного цикла приведет лишь к осцилляции параметров вершин.

Вершина xi Î X знакового, взвешенного знакового, функционального знакового орграфа является импульсно-устойчивой для некоторого заданного импульсного процесса, если последовательность абсолютных величин импульсов в этой вершине {|Pi(n)|; n = 0,1,…} ограниченна. Вершина xi знакового (и других) орграфа является абсолютно устойчивой для некоторого заданного импульсного процесса, если последовательность абсолютных величин параметров в этой вершине {|vi(n)|; n = 0,1,…} ограниченна. Далее легко перейти к рассмотрению устойчивости всего знакового орграфа. Знаковый (и др.) называется импульсно (абсолютно) устойчивым для данного импульсного процесса, если каждая его вершина является импульсно (абсолютно) устойчивой в этом импульсном процессе.

Рассмотрим модели и методы исследований динамических процессов в сложных системах на основе анализа явления резонанса, возникающего в результате взаимодействия циклов знакового орграфа.

Будем говорить, что несовпадающие циклы L1 и L2 знакового орграфа G(X,E) взаимодействуют, если выполняется хотя бы одно из следующих двух условий: $e Î E такая, что (e Î L1) & (e Î L2); существует мост между L1 и L2 либо между L2 и L1.

Явление импульсной неустойчивости знакового орграфа в простых импульсных процессах, возникающее вследствие взаимодействия циклов обратной связи, назовем резонансом.

Ниже будет показано, что резонанс - это единственно возможный случай импульсной неустойчивости в простых импульсных процессах.

Утверждение 1. Знаковый орграф, не содержащий циклов, импульсно устойчив для всех простых импульсных процессов. Кроме того, для любого импульсного процесса существует конечный момент времени, после которого импульсы во всех вершинах в любой последующий момент равны 0.

Утверждение 2. Знаковый орграф, содержащий лишь один цикл, импульсно устойчив для всех простых импульсных процессов.

Утверждение 3. Знаковый орграф, содержащий только взаимодействующие между собой циклы, импульсно устойчив во всех простых импульсных процессах.

Из утверждений 1, 2 и 3 следует, что резонанс - единственная причина импульсной неустойчивости в автономных импульсных процессах.

Типичными резонансными топологическими структурами являются розы - орграфы, состоящие из одной центральной вершины и пересекающихся только в ней циклов, которые называются лепестками. При резонансах в розах модуль импульса нарастает экспоненциально. Однако существуют такие топологические структуры, в которых при резонансе модуль импульса нарастает линейно. Это явление можно назвать линейным резонансом. Простейшим примером линейного резонанса является орграф, состоящий из двух четных циклов равной длины, соединенных мостом, из единственной дуги. Прикладной смысл этого явления заключается в том, что линейный резонанс менее опасен, чем экспоненциальный, так как его можно погасить постоянными по величине внешними импульсами. Следовательно, преобразование структуры, меняющее характер резонанса, может быть практически полезным.

Поскольку теоремы о собственных значениях позволяют только осуществлять проверку на устойчивость, но не дают метода нахождения рациональных стратегий управления для избежания резонанса, а те теоремы, которые связывают устойчивость и топологию орграфа, доказаны только для некоторых структур, таких, как розы, то возникает идея аппроксимировать произвольный орграф некоторой розой и дальнейший анализ проводить на этой розе.

Рассмотрим эту задачу при следующих ограничениях. Рассмотрению подлежат только орграфы с конечным числом вершин.

Из всех вершин выделяется одна, и она рассматривается как центр аппроксимирующей розы.

Рассмотрению подлежат только простые импульсные процессы, начинающиеся в выделенной вершине.

Будем считать, что роза R с центром в вершине U является аппроксимацией орграфа G(X,E) с выделенной вершиной A, если последовательности {vA(t)} и {PA(t)}, соответственно порожденные простым импульсным процессом на орграфе G(X,E), начинающимся в вершине А, совпадают с последовательностями {vU(t)} и {PU(t)} соответственно, порожденными простым импульсным процессом на розе R, начинающимся в ее центре U.

Алгоритм построения аппроксимирующей розы состоит в следующем. Пусть задан орграф G(X,E) с конечным числом вершин и выделенной вершиной A. Будем считать, что все пути из A в A найдены (алгоритм их нахождения известен). Эти пути могут пересекаться. Выделим подмножество вершин пересечения и для каждой вершины из этого подмножества введем фиктивные (но различные) вершины. Причем каждой из вершин пересечения соответствует такое число фиктивных вершин, которое на 1 меньше числа появления данной вершины пересечения в найденных путях из A в A. Выделенная вершина A, по определению, не включается в подмножество вершин пересечения. Заменим на этих путях избыточные вершины пересечения на фиктивные. Очевидно, что объединив теперь все пути, получим розу с центром в вершине A. Переобозначим A как U. Описанное преобразование назовем "R-преобразование орграфа G(X,E) с центром в вершине A".

Возникает вопрос, является ли результат R-преобразования аппроксимирующей розой в смысле введенного выше определения. Прежде всего надо выяснить вопрос о конечном числе лепестков, поскольку все теоремы об устойчивости роз, использующие собственные значения, требуют конечности числа лепестков.

Утверждение 4. Для того чтобы R-преобразование орграфа G(X,E), ||X|| < ∞ с центром в выделенной вершине A имело конечное число лепестков, необходимо и достаточно, чтобы в орграфе G не существовало ни одного локального цикла, не включающего A, достижимого из A и такого, что A достижима из него.

Утверждение 5. R-преобразование орграфа G с центром в вершине A с конечным числом лепестков является аппроксимацией орграфа G.

Прикладной смысл аппроксимации розами состоит в следующем. Замена исходного орграфа аппроксимирующей розой позволяет модифицировать топологию розы, прежде всего длину и знаки лепестков, с целью устранения резонанса. Вносимые в топологию розы изменения можно затем интерпретировать в изменения топологии исходного орграфа.

Нередко при анализе знаковых орграфов появляются аппроксимирующие розы всего из двух лепестков. Кроме того, двухлепестковая роза - это простейшая резонансная структура, поскольку единственный лепесток, по утверждению 2, не может дать резонанса. Для двухлепестковой розы можно выписать явный вид характеристического полинома, в котором связаны знаки и длины лепестков.

Утверждение 6. Пусть длины лепестков двухлепестковой розы равны n1 и n2‑1 Тогда характеристический полином имеет вид:

,

где sign(l1) и sign(l2) - знаки лепестков.

Следствие 1. Легко видеть, что утверждение 6 обобщается на случай взвешенных знаковых орграфов. Если w(l1) и w(l2) - это произведения весов дуг лепестков, то характеристический полином имеет вид:

.

Следствие 2. В случае четных лепестков любой длины в двухлепестковой розе неизбежен резонанс.

Аналогично доказывается и следствие 3.

Следствие 3. Если двухлепестковая роза имеет два отрицательных лепестка, которые кратны с нечетным числом кратности, то резонанс неизбежен.

Разработанные модели и методы использованы в системе моделирования, с помощью которой проведен ряд экспериментов по анализу организационно-экономических структур в условиях ЧС.

Рассмотрим применение методологии знаковых орграфов на примере использования механизма регулирования экологического риска, основанного на рыночном распределении квот на загрязнение окружающей среды среди потенциальных загрязнителей.

Пусть в некотором гипотетическом регионе действует механизм строгого ограничения совокупного выброса вредных веществ в окружающую среду всеми промышленными предприятиями этого региона. Это означает, что каждое предприятие приобретает на рынке квоту на загрязнение, в пределах которой оно и может осуществлять эмиссию вредных веществ, связанную с производством. В абстрактном варианте этой схемы считается, что если предприятие по каким-либо причинам выходит за пределы выделенной ему квоты, то его работа прекращается. Естественно, поскольку механизм распределения рыночный, то и сами квоты могут являться объектами купли-продажи и вокруг них может разворачиваться конкурентная борьба. Таким образом, эти квоты можно рассматривать как некий обобщенный ресурс, не производя на уровне качественного анализа подразбиения квот по степени и видам загрязнения. Существенно, что тот уровень, который ограничивает совокупную эмиссию, не определяется спросом квоты на рынке, а устанавливается администрацией региона, например муниципалитетом.

В качестве базисных процессов, описывающих данный механизм, для его качественного анализа предлагается рассмотреть следующие.

Подсистема "Социум":

         изменение качества среды обитания;

         изменение качества жизни;

         изменение риска возникновения чрезвычайной ситуации.

Подсистема "Индустрия":

         рост индустрии;

         изменение уровня конкурентной борьбы за квоты на загрязнение.

В качестве параметров, описывающих базисные процессы, рассмотрим:

         Q - качество жизни населения;

         PO - количество жителей;

         W - число рабочих мест;

         I - уровень загрязнения окружающей среды;

         H - риск возникновения чрезвычайной ситуации;

         N - число предприятий;

         C - уровень конкурентной борьбы;

         P - цена обобщенного ресурса (квот);

         E - эффективность использования обобщенного ресурса;

         M - допустимый предельный уровень эмиссии вредных веществ.

Рис. 1. Пример орграфа, возникающего в задаче о регулировании экологического риска

Строится модель в форме знакового орграфа, в котором вершинам ставятся в соответствие выделенные базисные процессы и характеризующие их параметры. Взаимовлияние процессов, определяемое социально-экономическими и природными законами, отражается проведением дуг с соответствующими знаками. При построении модели необходимо учитывать временные соотношения между базисными и порожденными импульсами процессами. В данном примере время передачи воздействия между базисными процессами в целях упрощения принято равным длине соответствующего пути между ними в знаковом орграфе, показанном на рис. 1.

Заметим, что все циклы орграфа - нечетные. Это дает некоторые основания предполагать, что система устойчива. Вместе с тем циклы могут взаимодействовать, поскольку есть мост N,W,Q. Таким образом, возможен линейный резонанс. Однако в силу того, что характеристический полином имеет вид 4(3+1)2, единственное ненулевое собственное значение составляет ‑1, что дает выполнение необходимых условий импульсной устойчивости.

Тем не менее достаточные условия импульсной устойчивости не выполняются. На содержательном уровне это означает, что при появлении импульса в любой вершине цикла (N,C,P) происходит линейное нарастание модуля импульса в вершинах цикла (Q,PO,I), т. е. линейный резонанс. Это явление может иметь следующую интерпретацию. Колебания в количестве предприятий ведут к колебаниям в уровне занятости населения, что "раскачивает" процессы миграции. Нарастающие по амплитуде колебания в численности населения влекут рост загрязнения окружающей среды из-за бытовых загрязнений. Однако вычислительный эксперимент показывает медленное (линейное) нарастание амплитуды колебаний. В связи с этим основное внимание надо уделить анализу моста. Разрыв или инвертирование любой из двух его дуг могли бы стать основой балансирующей стратегии.

Допустим теперь, что социум не может оставаться безучастным к изменению риска ЧС, что является правдоподобным в условиях подъема борьбы за экологию. В рамках нашей модели это могло бы означать проведение дуги или далее дуг от вершины H. Представляется правдоподобной такая ситуация, когда социум захочет ответить на рост риска возникновения ЧС ужесточением ограничений на совокупный выброс, т. е. дугой (H,M) со знаком минус.

Рассмотрим, к чему это может привести.

1.        Появился четный цикл N,C,E,H,M,P,N, что ставит под вопрос абсолютную устойчивость.

2.        Построим R-преобразование с центром в вершине N. По утверждению 4, оно содержит конечное количество лепестков:

В качестве подграфа R-преобразование содержит двухлепестковую розу с лепестками l1, l2, для которой, по утверждению 6, характеристический полином имеет вид 8 + 5 – 1 = 0. Этот полином имеет действительный корень, меньший ‑1. Это говорит о том, что взаимодействие циклов l1 и l2 приводит к экспоненциальному резонансу. Поскольку мы рассматриваем только простые импульсные процессы, начинающиеся в вершине N, то эти циклы взаимодействуют в моменты времени 6k; k = 1,2,... Легко видеть, что последовательность PN(6k) не ограничена, что означает, по определению, резонанс. Практически это может означать, что имеет смысл всячески затруднять воздействие митинговой стихии на рыночные механизмы управления риском.