Подход к оценке антропогенной надежности и безопасности электроустановок в условиях неопределенности на предприятиях агропромышленного комплекса

В настоящее время в рамках проблематики по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное направление – инженерия знаний [1], объединяющее такие задачи, как разработка экспертных систем и систем поддержки принятия решений. Такой класс задач ориентирован на рассмотрение широкого круга проблем в неформализованных предметных областях, т. е. там, где человеку-эксперту либо лицу, принимающему решение, приходится действовать в условиях стохастической неопределенности. В этом случае процесс принятия решений включает большое разнообразие постановок задач выбора стратегии решения, обоснование критериев и поиск альтернатив. Поэтому решение проблемы безопасности приобретает определенную актуальность и значимость.

Массовое использование электроустановок (ЭУ) на объектах агропромышленного комплекса (АПК), в том числе систем энергообеспечения, технологического электрооборудования и т. д., требует рассмотрения вопросов повышения эффективности функционирования на каждом этапе жизненного цикла, одним из условий которого является способность ЭУ сохранять свои основные функции вопреки старению, деградации, снижению остаточного ресурса, возникновению функциональных отказов, приводящих к снижению качества работы электроустановки, и в последствии перерастающее в опасные антропогенные ситуации: аварии, электротравмы, пожары и т. д. В этом отношении живучесть ЭУ, относящуюся к одной из основных характеристик надежности и безопасности электроустановки, можно рассматривать как базовое свойство сохранять и восстанавливать выполнение основных функций в заданном объеме и на протяжении заданного времени при наличии негативных воздействий факторов рабочей и внешней среды – рискообразующих факторов (РОФ) [2].

В настоящее время известны различные методы расчета живучести информационных систем [3], в основе которых используется вероятностный подход, построенный на числовой оценке. Альтернативой последнему являются экспертные оценки – логико-лингвистические модели («мягкие вычисления») [4], широко используемые при анализе человеко-машинной системы «Человек – Электроустановка – Среда» (далее - «Ч - Э - С») с помощью теории нечетких множеств (Fuzzy Logic) [5].

В работе формулируется задача разработки нечеткой логико-лингвистической модели и алгоритма оценки и прогнозирования надежности электроустановок. При исследовании функциональной надежности (живучести) ЭУ предполагается, что в ней обеспечиваются необходимая связанность и взаимодействие работоспособных узлов, имея в виду токоведущие, изоляционные и конструкционные ее части. Причем в процессе эксплуатации ЭУ ее компоненты могут находиться в одном из состояний работоспособности: частичной, приводящей к снижению эффективности в допустимых пределах (функциональный отказ), и полной неработоспособности – выход из строя (структурный отказ) [6].

Цель исследования. Анализ антропогенной безопасности электроустановок на основе построения логико-лингвистических моделей для разработки концепции многокритериальной оптимизации антропогенного риска системы «Ч – Э – С».

Разработанная нечеткая логико-лингвистическая модель оценки надежности (живучести) ЭУ, базирующаяся на теории нечетких множеств, позволяет в сложных слабоформализо-ванных системах учитывать роль человеческого фактора, являющегося доминирующим [7]. Отметим, что применение аппарата нечеткой логики представляется перспективным, поскольку не требует априорных знаний статистических распределений характеристик надежности (живучести) и безопасности [8]. Данный аппарат дает возможность, исходя из существующего количества различных факторов компонентов системы «Человек – Электроустановка – Среда», наиболее существенно влияющих на состояние антропогенной безопасности, создать кластерную модель с применением логических символов и знаков, исключая численные методы представления знаний [9, 10]. Для обработки информации наиболее эффективным и доступным будет использование подхода получения логического вывода и эмпирического способа принятия решений [11].

Материал и методы исследования

При эксплуатации электроустановок в технологическом процессе человек (электротехнический персонал, оператор, население) выполняет личные задачи. Обеспечение высокого уровня надежности и безопасности электроустановок зависит от причинно-следственных связей между компонентами человеко-машинной системы, эффективность функционирования которой непосредственно определяется принципиальными решениями, приводящими к минимуму антропогенные риски аварий, травматизма и возникновение опасных и деструктивных последствий. В связи с этим основной задачей будет обеспечение безопасности путем реализации процесса оптимального взаимодействия компонентов человеко-машинной системы предприятий АПК.

Известно, что производственная деятельность в условиях неопределенности характеризуется техногенным риском при воздействии на него большого количества личных факторов, характеризующих условия эксплуатации электроустановок производственного объекта и наличии угрозы опасности [12].

Для установления связей в человеко-машинной системе ввели логико-лингвистические переменные, определяющие различные характеристики состояния и свойства электроустановки (надежность, остаточный ресурс, среду и др.). Составили базу нечетких правил продукционного вида «ЕСЛИ» A, «ТО» B (где A и B – предпосылка и заключение правила).

Сформировали фрагмент продукционных правил нечеткой логико-лингвистической модели, представив его в следующем виде: ЕСЛИ «срок эксплуатации и остаточный ресурс ЭУ» (x 1 ) ЕСТЬ «средний» и «отказ ЭУ» (x 2 ) ЕСТЬ «редкий»; «эффективность средств электрической защиты» (x 3 ) ЕСТЬ «средняя»; «диагностирование технического состояния» (x 4 ) ЕСТЬ «удовлетворительное»; «уровень деструктивных воздействий параметров рабочей среды» (x 5 ) ЕСТЬ «высокий», ТО «возможность возникновения опасной техногенной ситуации» ЕСТЬ «периодическая - средняя». Рассмотренный фрагмент использования продукционного правила (рис. 1) устанавливает логико-лингвистическую связь между характеристиками электроустановки, учитывающими эффективность, надежность и безопасность (вход) и интегральным показателем риска Y человеко-машинной системы «Ч - Э - С» (выход) [13].

человеко-машинной системы:

x 1 , …, x 5 – характеристики электроустановки;

Y – интегральный показатель риска возникновения опасной антропогенной ситуации

Построенная нечеткая продукционная модель оценки электроустановки на основе использования лингвистических переменных, характеризующих ее структуру и параметры, позволила получить данные о показателях надежности, безопасности и эффективности функционирования производственного объекта в условиях совместного воздействия рискообразующих факторов, компонентов человеко-машинной системы.

Концепция многокритериальной оптимизации антропогенного риска электроустановки системы «Ч – Э – С»

Оптимизация риска представляет собой целенаправленный процесс при получении наиболее эффективных результатов при исследовании условий эксплуатации электроустановок.

Выполняя анализ условий оптимизации, следует отметить, что принимаемые решения достаточно эффективны в случае оценивания их не по одному критерию. В связи с этим задача оптимизации должна быть многокритериальной [14]. Однако решение задачи оптимизации усложняется многогранностью и неоднородностью сведений о факторах системы «Ч – Э – С», которые могут иметь детерминированный, стохастический и неопределенный характер. При рассмотрении задачи оптимизации чаще всего используются методы анализа безопасности человеко-машинной системы в условиях неопределенности с применением теории нечетких множеств. На каком-либо объекте критериями оптимизации являются технические, экономические и социальные критерии, которые взаимосвязаны друг с другом. В частности, повышение надежности электрической защиты неизбежно ведет к увеличению затрат на создание системы безопасности электроустановок, а снижение затрат ведет к снижению эффективности системы, что связано с возникновением ущербов экономических и социальных. Значит, снижение антропогенных рисков непосредственно зависит от принятия организационных и технических мер при создании безопасных условий для человека.

Отсюда следует, что для любого электрохозяйства производственного объекта АПК предусматривается определенное количество конкретизируемых мероприятий, внедрение которых будет зависеть от объема финансирования на их выполнение. Поэтому при решении задачи обеспечения антропогенной безопасности производственного объекта и снижении риска опасности электроустановок следует выбрать такие мероприятия, которые должны обеспечить максимальный эффект.

Задача выбора оптимального варианта решения представлена как иерархическая структура (рис. 2).

Минимизации риска k1

k i

[критерии]

k n

x 1

[альтернативы]    x n

Рисунок 2 – Иерархическая структура оптимизации антропогенного риска

Имелось n альтернативных вариантов выбора решения X=[x 1 , … , x n ]. Каждая альтернатива x i ∈ X, i=1 … n оценивается на основе множества критериев K=[k 1 , … , k m ]. Оценки альтернатив x 1 , …, x n на основе критериев k 1 , … , k m являлись качественными величинами и описываются переменными значениями (терм-множеством) соответствующих лингвистических переменных. Например, лингвистическая переменная «эффективность» может принимать значения «высокая», «низкая» и т. д. Задача состояла в выборе наилучшего решения среди множества альтернативных вариантов. Если имелась группа критериев k 1 , k 2 , …, k p , то наилучшей считалась такая альтернатива x^opt ∈ X, которая удовлетворяет критериям k 1 , … , k p [15].

Результаты исследования и их обсуждение

В работе был развит метод построения человеко-машинной системы «Ч - Э - С» (рис. 3) и определена концепция оптимизации антропогенного риска электроустановки предприятия АПК (рис. 4).

Иллюстрация техногенных опасностей человеко-машинной системы «Ч - Э - С» представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принципы построения человеко-машинной системы

Рисунок 4 - Концепция оптимизации антропогенного риска

Установлена взаимосвязь антропогенного риска и показателей эффективности системы «Ч - Э - С»:

• (1)    – надежность;

• (2)    – безопасность;

• (3)    – эргономичность;

• (4)    – экономичность.

Риск был представлен в виде количественной оценки степени опасности электроустановок по формуле:

RΣ=Σni=1PiYi, где Pi – вероятность i-го события из имеющихся n возможных опасностей; Yi – материальный ущерб при появлении i-го события.

Рассмотрены возможные варианты процесса функционирования электроустановки в условиях негативного влияния рискообразующих факторов.

• 1.    РОФ не оказывают деструктивного воздействия по причине активного противостояния ЭУ.

• 2.    РОФ оказывают деструктивные воздействия в рамках расчетных условий функционирования при сохранении работоспособности электроустановки.

• 3.    РОФ приводят к незначительным повреждениям отдельных элементов электропроводки; она адаптируется к возникшим условиям функционирования, сохраняя при этом работоспособность со сниженной эффективностью.

• 4.    РОФ оказывают высокое опасное воздействие на электроустановку; адаптационный механизм полностью утрачен. Возможно восстановление ЭУ за счет привлечения дополнительных ресурсов или вывода ее в ремонт.

Добавим к отмеченному, что эффективное управление антропогенными угрозами может быть обеспечено при анализе и внедрении новых деструктивных подходов при рассмотрении и решении задачи многокритериальной оптимизации рисков опасности электроустановок. Необходимо отметить, что снижение рисков возникновения опасностей в системе «Ч - Э - С» ведет к снижению последствий опасных ситуаций, а именно травматизма и гибели людей, выхода из строя технологического и электрического оборудования от пожаров в электроустановках, используемых в сельском хозяйстве и т. д.

При эксплуатации рассматриваемой системы «Ч - Э - С» приходится сталкиваться с рассмотрением ряда задач, мало пригодных для их решения традиционными методами, что привело к поиску новых интеллектуальных систем, построенных (как уже отмечалось выше) на нечеткой логике, достоинства которой состоят в использовании нечисловой (качественной) информации, относительной простоте и наглядности. Перспективным представляется использование алгоритма нечеткого управления человеко-машинной системой как альтернативы традиционному подходу описания процессов с помощью нелинейных дифференциальных уравнений. С этих позиций преимущество теории нечетких множеств очевидно, так как а) возможно оперировать нечеткими входными данными (базы РОФ), изменяющимися во времени, значения которых задаются неоднозначно вследствие субъективных экспертных оценок; б) получение точной информации о процессах в электроустановках проблематично и трудно-интерпретируемо; в) невозможность выбора адекватного решения из-за формализации неопределенности, многочисленные источники которой имеют различную физическую природу, например, компоненты человеко-машинной системы; г) целесообразность использования естественного языка для выражения экспертных оценок, способов интуитивных рассуждений и с помощью качественных представлений, понятий и оценок («часто - редко») лицом, принимающим решения, что в конечном счете позволяет компактно и явно описывать общую смысловую постановку задачи принятия решений.

Заключение

Логико-лингвистические или нечеткие модели, полученные в результате интерпретации описаний процессов в терминах нечеткой логики, служат основой для разработки методов и алгоритмов в человеко-машинной системе «Ч - Э - С», функционирующей в условиях стохастической неопределенности.

Результаты работы прошли успешную апробацию, внедрены и используются на сельскохозяйственном предприятии «СИБАГРО» Республики Бурятия.