 |
Лекция 1. Общие принципы системного анализа.
|
|
|
|
Рудченко Григорий Иванович
Управление рисками, системный анализ и моделирование.
Конспект лекций
для магистрантов, обучающихся
по направлению 20.04.01 «Техносферная безопасность»,
Волгоград 2016
Лекция 1. Общие принципы системного анализа.
Система – это такая совокупность элементов, объединенных общими ресурсами, связями, функциональной средой и целью существования, которая обладает свойствами, отсутствующими у отдельных элементов. Элементами будем считать всякие условно неделимые и самостоятельно функционирующие части системы.
Классификация систем:
1. По природе (происхождение): 1.1 Физические (естественные, материальные) 1.2 Абстрактные (искусственные, идеальные)
2. По составу: 2.1 Гомогенные (характеризуются однородностью и слабой связанностью похожих частей) 2.1.1 Технические 2.1.2 Организационные 2.2 Гетерогенные (образованы как бы «спаиванием» своих различных элементов) 2.2.1Человеко-машинные (эрготехнические) 2.2.2 Этногеоэтосистемы (От греч. Этнос – народ, Гея – земля, Этос – уклад жизни)
3. По степени взаимодействия с окружающей средой (обмену потоками энергии, вещества и информации): 3.1 Открытые: (обмениваются со своим окружением всеми этими формами материи) 3.1.1 Диссипативные (Непрерывно рассеивают часть своей свободной энергии, в т.ч. и в виде тепла) 3.1.2 Равновесные 3.2 Закрытые (обмениваются лишь информацией) 3.3 Изолированные (ни одной из форм материи не обмениваются)
4. По сложности: 4.1 Простые 4.2 Сложные 4.3 Большие Исследование двух последних невозможно без предварительного расчленения на компоненты (декомпозиции) с последующим укрупнением (агрегатированием) элементов. Их отличительными свойствами считаются: а) уникальность – аналоги заметно отличаются; б) многоступенчатый состав – имеются подсистемы и компоненты; в) случайный характер функционирования и реагирования на воздействие различных факторов; г) многокритериальность оценки состояния; д) разрозненность образующих частей.
|
|
|
5. По изменчивости (отклику на воздействия различных факторов): 5.1 Статические (система с одним возможным состоянием) 5.2 Динамические (система с множеством состояний, в которой с течением времени происходит переход от состояния в состояние). Для образования любой системы важную роль играет характер взаимодействия между подсистемами, а не их специфика. Поэтому самой важной характеристикой системы считается её структура – множество тех связей и элементов, которые играют наиболее важное значение при обеспечении энергетического, массового и информационного обмена как внутри системы, так и между нею и окружающей средой. В общем виде под структурой подразумевается способ организации целого из частей, некий вид упорядочения его отдельных элементов и связей. Следующие существенные характеристики любой системы: Состав – множество образующих систему элементов и компонентов. Функциональная среда – совокупность законов, алгоритмов и параметров состояния системы, в соответствии с которыми она образуется, существует, развивается, а затем (рано или поздно) и гибнет. Морфология – зафиксированная в пространстве, т.е. физически реализованная, а потому и реально наблюдаемая совокупность взаимодействующих между собой звеньев их обобщенной структуры. Необходимо наметить целесообразные пределы обобщения и редукции исследуемых систем, т.е. какой-либо компонент эрготехнической системы может быть выделен как целостное образование и учтены только его самые важные (интегральные) свойства и обобщённая структура. Процесс функционирования системы (т.е. последовательной смены состояний) обусловлен строго определёнными соотношениями между энергией внешнего воздействия и собственной энергоёмкостью конкретного состояния системы. Если внешняя энергия не превышает пороговых значений, не накапливается, а уменьшается в результате частичного рассеяния или преобразуется в другую энергию (как при фотосинтезе, например), то реакция системы проявляется лишь в незначительных колебаниях существующих показателей либо в их эволюционном (плавном) изменении (постепенном росте того же растения). Один из наиболее общих механизмов сохранения системой стабильности связан с так называемым принципом Ле Шателье-Брауна, в соответствии с которым любое внешнее воздействие порождает ответную реакцию самоорганизации, направленную на ослабление его эффекта. Механизм смены состояний может быть проиллюстрирован на примере человекомашинной системы. Ее функционирование обычно характеризуется такими возможными ситуациями, как:
|
|
|
Гомеостазис или гомеокинезис, представляющие собой динамическое равновесие;
Разного рода возмущенные состояния, вызванные появлением в ней ошибок людей, отказов техники и неблагоприятных для них внешних воздействий; Опасные, критические и катастрофические состояния. Последние, как правило, связаны с возникновением происшествий, одновременно являющихся результатом нежелательного выброса энергии (вредного вещества) и следствием причинных цепей предпосылок.
Основные принципы общей теории систем:
1. Любая система выступает как триединство цели, функции и структуры. При этом функция порождает систему, структура же интерпретирует ее функцию, а иногда и цель.
2. Система– больше, чем сумма образующих ее компонентов, поскольку обладает эмерджентным интегральным свойством, отсутствующим у ее элементов либо не выводимым из их свойств без остатка.
3. Система не сводится к сумме своих компонентов и элементов, а любое ее механическое расчленение на отдельные части приводит к утрате существенных свойств системы.
4. Система предопределяет природу ее частей. Появление в системе инородных частей завершается либо их перерождением или отторжением, либо гибелью самой системы.
|
|
|
5. Все компоненты и элементы системы взаимосвязаны и взаимозависимы. Воздействие на одну часть системы всегда сопровождается реакцией со стороны других. 6. Система и ее части непознаваемы вне своего окружения, которое целесообразно делить на ближнее и дальнее. Связи внутри системы и между нею и ближайшим окружением всегда более существеннее всех остальных.
Основные принципы системной динамики:
1. Поведение системы является следствием взаимодействия наиболее ее существенных элементов и связей между собой и окружающей средой.
2. Определяющее влияние на функционирование системы оказывают те звенья ее морфологии, которые включают в себя обратные связи
3. Состояние и обобщенная структура системы служат причиной, а не результатом происходящих в ней изменений
4. Проблемы создаются преимущественно внутри самой системы, а не в ее окружении
5. Изучить сложную систему – это значит установить наиболее существенные отношения между ее элементами и окружающей их средой.
6. При исследовании сложной системы важнее разобраться с ее обобщенной структурой, чем пытаться количественно оценить и спрогнозировать все существенные характеристики
7. Цель изучения сложной системы - анализ действенности различных стратегий улучшения, а не априорная количественная оценка ее интегральных выходных характеристик.
Лекция 2. Элементы теории формализации и моделирования. Место формализации и моделирования при исследовании процессов в техносфере.
Модель – материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые его важные для данного исследования типичные черты. Моделирование – процесс построения и использования модели. Другими словами, модель обычно играет роль некоторого заменителя реального объекта и используется для его изучения.
Характеристики моделей: субъективность – один и тот же объект воспринимается разными людьми по-разному в зависимости от объема знаний, особенностей мышления, эмоционального состояния и т.д., поэтому и модели одного и того же объекта, созданные разными людьми будут отличаться между собой.
|
|
|
Относительная неполнота, связанная с тем, что при создании модели исследователь исходит из определенной цели, поэтому учитывает только факторы, существенные для достижения этой цели, поэтому любая созданная модель не тождественна оригиналу.
Адекватность – если результаты исследования модели удовлетворяют цели, т.е. могут быть пригодными, например, для прогнозирования поведения или свойств оригинала, то говорят, что модель адекватна. Однако, учитывая заложенную при создании неполноту модели, можно утверждать, что идеально адекватная сложному объекту модель принципиально невозможна.
Сложность (или простота) – из двух моделей, позволяющих достичь желаемой цели, предпочтение должно быть отдано более простой. Адекватность и простота модели не противоречивые требования.
Предсказательность (потенциальность) – важная характеристика, пригодность модели для получения новых знаний об объекте-оригинале. Считается, что хорошая модель содержит в себе потенциальное знание, которое человек, исследуя ее, может приобрести и далее использовать в практических целях. Именно свойство потенциальности, называемое «богатством» модели, позволяет ей выступать в качестве самостоятельного объекта исследования.
Предназначение – характеристика модели, а точнее ее функции, ради которых она создается.
Самое важное предназначение модели – это ее применение в целях исследования и прогнозирования поведения сложных процессов и явлений, в том числе и интересующих нас – техносферных. Второе предназначение модели – это выявление с ее помощью наиболее существенных факторов, формирующих свойства объекта-оригинала. Например, исследуя движение тел в атмосфере, конструктор самолета может выяснить, что их ускорение существенно зависит от массы, формы и шероховатости поверхности, но практически не зависит от цвета последней.
И наконец, (3) модель позволяет научиться управлять самим объектом, апробируя различные варианты воздействия на него. Например, получить первые навыки управления самолетом безопаснее на тренажере.
(4) – особое значение приобретает задача прогнозирования состояния объекта под воздействием различных факторов. Например, при проектировании, изготовлении и эксплуатации любого сложного технического устройства 6 необходимо уметь прогнозировать изменение надежности и безопасности его функционирования. Итак, еще раз подчеркнем, для чего нужны модели и моделирование:
|
|
|
а) понять, как устроен конкретный объект-оригинал; каковы его структура, свойства, закономерности функционирования и развития;
б) научиться управлять объектом и процессом его функционирования, в том числе определять наилучшие для него управляющие воздействия при заданных целях и критериях; в) прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации способов и форм воздействия на моделируемый объект. Классификация моделей Физическое моделирование широко применяется в авиа-, автомобиле-, ракето-, судостроении. Например, при разработке нового летательного аппарата важны эксперименты с моделями в аэродинамической трубе. Исследование полученных там результатов их обтекания воздушным потоком позволяет найти наиболее рациональные формы корпуса самолета или ракеты или отдельных выступающих частей. В основу аналогового моделирования положено совпадение математического описания различных предметов, процессов и явлений. Например, механические и электрические колебания, описываются одинаковыми аналитическими формулами, но относятся к качественно разным физическим процессам. Отсюда, изучение мех.колебаний можно вести с помощью эл.схемы, а обтекание жидкости заменить обтеканием газов и наоборот. Идеальное моделирование. Интуитивное – моделирование в сознании человека в форме мысленных экспериментов, сценариев, игровых ситуаций, основанное на жизненном опыте людей. Любое эмпирическое знание, полученное людьми из эксперимента или в процессе наблюдения без объяснения причин и механизмов явлений, можно считать интуитивным и использовать при моделировании. Семантическое – смысловое моделирование, логически обосновано с помощью ряда исходных предположений, при этом предположения могут быть гипотезами, созданными на основе наблюдения за оригиналом. В отличие от интуитивного семантическое моделирование строится на знании внутренних механизмов явления. В данную группу входят вербальное (словесное) и графическое моделирование. Семиотическое - знаковое моделирование является наиболее формализованным, т.к. использует не общеизвестные слова и наглядные изображения, а символы. Наиболее представительным подвидом данного моделирования является математическое – идеальное знаковое формальное моделирование на языке математики и математическими методами. Например, так называемая «операторная форма» математической модели: моделью называют оператор А, позволяющий по соответствующим значениям входных параметров Х установить выходные значения параметров объекта моделирования У. Записывается это следующим образом: 7 у,W Îх, У W Î У; Х ®А:Х у – множество значений входных и выходных параметров модели.Wх, WГде В зависимости от способа исследования математические модели делятся на аналитические и алгоритмические. Аналитическое моделирование - результаты в виде конкретных аналитических выражений с конечным числом арифметических операций. Алгоритмические модели могут учитывать практически любое число существенных факторов и используются для моделирования наиболее сложных объектов. Объектом системного анализа и моделирования процессов в техносфере должна быть система «человек-машина-среда», а предметом – объективные закономерности возникновения и предупреждения техногенных происшествий при ее функционировании. Понятие опасности является базовым или фундаментальным и в то же время наиболее сложным, т.к. содержит в себе другие нечетко определенные термины:
Опасность – (техногенно-производственная) – наблюдаемое в процессе функционирования человекомашинных систем их свойство представлять реально предсказуемую возможность причинения ущерба. Понятия, связанные с понятием «опасность» – риск, ущерб техногенный, происшествие, катастрофа, авария и несчастный случай. Из понятия опасность вытекает понятие безопасность - свойство человекомашинных систем сохранять при функционировании в заданных условиях такое состояние, при котором достаточно с высокой вероятностью исключаются происшествия, обусловленные воздействием техногенно- производственной опасности на незащищенные компоненты этих систем и внешней для них среды, а ущерб от неизбежных энергетических и вредных материальных выбросов не превышает допустимого уровня. Особенности формализации и моделирования опасных процессов Под формализацией подразумевается специальным образом организованное адекватное представление человеко-машинных систем, их компонентов и опасных процессов в техносфере в форме некоторых искусственных объектов (моделей), а под моделированием - использование полученных таким образом объектов, обладающих определенным сходством с оригиналом, для получения новых знаний об исследуемых процессах и их параметрах. Наиболее оправданы в системной инженерии безопасности не физические, а знаковые (графические, математические и имитационные) модели опасных процессов, которые представляют их в виде последовательности случайных событий, приводящих к возникновению происшествий. Основная особенность теоретического исследования опасных процессов связана с целесообразностью их двухэтапной формализации и моделирования: вначале - графически, на семантическом уровне, а затем, после введения соответствующих переменных, - на знаковом, с помощью математических и машинных методов. Дело в том, что большое число (десятки, если не сотни) факторов, реально влияющих на безопасность, и ограниченность оперативной памяти человека (одновременная манипуляция - не более 12-ю объектами), делают невозможным разработку подобных моделей напрямую, т.е. без предварительного построения причинно- следственных диаграмм. При формализации и моделировании опасных процессов, рекомендуется придерживаться ряда правил, главные из которых состоят в обеспеченности такого исследования необходимой информацией и рациональности ее использования. В частности, формализация и моделирование малоэффективны при отсутствии некоторого минимума данных об исследуемых нами процессах и бесполезны - в условиях их полной определенности или возможности проведения полномасштабных натурных экспериментов. Следует также помнить, что при моделировании опасных процессов обычно приходиться иметь дело с человекомашинными системами. При этом могут иметь место крайности, связанные с излишним усложнением или упрощением используемых моделей таких систем. И то, и другое - плохо: подробная детализация приводит к громоздкости модели и опасности "не увидеть за деревьями леса", тогда как крайняя упрощенность сопровождается неточностью моделирования - угрозой "выплеснуть вместе с водой и ребенка".
Лекция 3. Методологические основы обеспечения безопасности процессов в техносфере.
Базовые категории и принципы системного исследования, обеспечения и совершенствования безопасности процессов в техносфере. Одним из способов выявления причин аварийности является детальное изучение статистических данных об имевших место происшествиях. Наиболее объективными показателями, применяемыми для статистической оценки уровня безопасности конкретной отрасли техносферы, являются число происшествий и размеры ущерба от них. Поэтому для выявления основных факторов аварийности и травматизма должны быть использованы статистические данные о происшествиях, зарегистрированных в течение достаточно продолжительного времени.
Анализ статистических данных о происшествиях в техносфере выявил следующие закономерности, причины, факторы аварийности и травматизма: Аварийность и травматизма при массовом проведении технологических процессов можно (с приемлемым уровнем доверия) интерпретировать как потоки случайных событий, количество которых на ограниченных интервалах времени распределено по закону Пуассона, а время между появлением отдельных происшествий - по экспоненциальному закону. Возникновение каждого техногенного происшествия является, как правило, следствием не отдельной причины, а результатом появления цепи соответствующих предпосылок. Инициаторами причинных цепей происшествий в техносфере служат либо ошибки людей, обусловленные их недостаточной профессиональной подготовленностью к работам на технике, характеризуемой конструктивным несовершенством и опасной технологией ее использования, либо отказы технологического оборудования, вызванные собственно низкой его надежностью, а также возникшие в результате ошибочных действий персонала, либо нерасчетные внешние воздействия на людей и технику со стороны рабочей среды. Общепризнана преобладающая роль так называемого человеческого фактора в формировании первичных предпосылок, доля которого колеблется по разным источникам от 60-70% в промышленности, до 80-90% - в авиации. Помимо основных факторов аварийности статистический анализ выявил и другие дополнительные факторы. Выявленные закономерности послужили основанием сформулировать общие представления о природе объективно существующих техносферных и биосферных опасностей.
Сущность энергоэнтропийной концепции:
1. Производственная деятельность потенциально опасна, т.к. связана с проведением технологических процессов, а последние – с энергопотреблением (выработкой, хранением, преобразованием тепловой, механической, электрической, химической и другой энергии).
2. техногенная опасность проявляется в результате несанкционированного или неуправляемого выхода энергии, накопленной в технологическом оборудовании и вредных веществах, непосредственно в самих работающих, во внешней относительно их и технике среде.
3. несанкционированный или неуправляемый выход больших количеств энергии или вредного вещества приводит к происшествиям с гибелью и травмированием людей, повреждениями технологического оборудования, загрязнением окружающей их природной среды
4. возникновение техногенных происшествий является следствием появления причинной цепи предпосылок, приводящих к потере управления технологическим процессом, несанкционированному высвобождению используемой при этом энергии (рассеиванию вредных веществ) и их разрушительному воздействию на людей, объекты производственного оборудования и природной среды
5. инициаторами и звеньями причинной цепи каждого такого происшествия являются ошибочные и несанкционированные действия работающих, неисправности и отказы технологического оборудования, а также неблагоприятное влияние на них внешних факторов
6. ошибочные и несанкционированные действия персонала обусловлены его недостаточной технологической дисциплинированностью и профессиональной неподготовленностью к работам, характеризуемым потенциально опасной технологией и конструктивным несовершенством используемого производственного оборудования
7. отказы и неисправности технологического и производственного оборудования вызваны его собственной низкой надежностью, а также несанкционированными действиями работающих
8. нерасчетные (неожиданные или превышающие допустимые пределы) внешние воздействия связаны с недостаточной комфортностью рабочей среды для человека, ее агрессивным воздействием на технологическое оборудование, а также с неблагоприятными климатическими или гидрогеологическими условиями дислокации производственного объекта.
|
|
|
