Методы, критерии и алгоритмы управления процессом обеспечения промышленной безопасности нефтегазовых предприятий, основанные на теории нечетких множеств

На правах рукописи

Глухов Сергей Владимирович

Методы, критерии и алгоритмы Управления процессом обеспечения промышленной безопасности нефтегазовых предприятий, основанные на теории нечетких множеств

Специальность 08.00.13 - «Математические и инструментальные методы экономики»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата экономических наук

Оренбург - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель: доктор экономических наук, профессор

Буреш Ольга Викторовна

Официальные оппоненты: доктор экономических наук, доцент

Файзрахманов Рустам Абубакирович

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Портной Лев Соломонович

Ведущая организация: Оренбургский филиал Института экономики Уральского отделения Российской академии наук

Защита состоится 06 июля 2006 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.189.07 при ГОУ ВПО «Пермский государственный университет» по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, ПГУ, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан 03 июня 2006 г.

П.М. Симонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Нефтегазовая отрасль является лидирующей отраслью России по поступлениям денежных средств в бюджет. Вместе с тем эксплуатация нефтегазовых объектов связана с рисками. Кроме обычных рисков проектов, здесь существует риск аварий, приводящих к материальным потерям, нарушению экологической обстановки и, что особенно существенно, к жертвам и болезням людей. Производственные объекты хранения, переработки и транспортировки горючих и токсичных веществ являются одними из наиболее опасных объектов хозяйственной деятельности. Ситуация усугубляется тем, что более 80 % всех объектов уже выработали нормативный срок эксплуатации.

До 90-х годов прошлого столетия российские нефтегазовые предприятия являлись собственностью государства. На том этапе соблюдался принцип обеспечения 100 % безопасности работы оборудования за счет бюджетных средств. С переходом к рыночной экономике для многих предприятий, ввиду недостатка средств, стало невыгодным, без достаточных обоснований, расходовать их на обеспечение безопасности. В случае неоправданных затрат на безопасность многие предприятия могут просто разориться. Поэтому в условиях рыночной экономики необходимо использовать целесообразный вариант обеспечения промышленной безопасности при имеющихся денежных и материальных ресурсах.

Инвесторы желают уменьшить риски аварий. Однако проблема оценки риска в нефтегазовой отрасли недостаточно изучена. Существующие на данный момент методы оценки технологических рисков (деревья отказов и событий) очень трудоемки и мало пригодны для практических расчетов. Методы же теории надежности не учитывают влияние человеческого фактора на риск аварий и инцидентов.

Сущность анализа риска состоит в том, чтобы выработать программу защиты от возможных материальных, финансовых, людских потерь; обеспечить потенциальных партнеров (инвесторов и страховщиков) информацией о целесообразности участия в проекте, то есть о его риске и эффективности.

В условиях рыночной экономики необходимо постоянное совершенствование методов оценки риска и эффективности инвестиционных проектов с целью наиболее оптимального вложения средств в нефтегазовые объекты и обеспечения их безопасности, увеличения ожидаемой прибыли. Экономический механизм, наряду с нормативным, может быть решающим в этом направлении.

Рекомендации по риск-менеджменту - неотъемлемая часть деклараций промышленной безопасности - остаются нереализованными из-за того, что не анализируется эффективность вложения соответствующих финансовых средств в их осуществление. Поэтому в настоящее время особенно актуальной представляется разработка комплексных программ управления процессом обеспечения промышленной безопасности и снижения внеплановых финансовых потерь, связанных с аварийностью. Такие программы включают в себя определение частоты и ущерба от аварий на типовых составных частях предприятия, а также оценку степени уменьшения внеплановых финансовых потерь в зависимости от внедрения тех или других превентивных решений. Необходимы также оценки эффективности вложений в различные управляющие решения (диагностические, ремонтные, повышение квалификации работников, локализация и ликвидация последствий аварий) по критерию «затраты-выгоды», определение оптимальных затрат и периодов окупаемости превентивных решений, экономической целесообразности передачи рисков страховым компаниям.

Решающее значение для разработки и реализации мер по предупреждению аварий на опасных производственных объектах имеет развитие методологии выявления и описания источников опасности, а также условий их проявления в процессе эксплуатации этих объектов. Ограниченность и качество имеющейся в этой области справочной, информационной, учебно-методической и научной литературы не отвечает практическим потребностям.

Одним из основных факторов, влияющих на возникновение аварий и инцидентов, является человеческий фактор. Способность персонала принимать правильные решения в экстремальных ситуациях, уровень его квалификации трудно определить традиционными методами, поэтому целесообразно использовать различные подходы, в том числе и экспертные.

Недостаточная разработанность теоретических и методологических аспектов управления процессом обеспечения промышленной безопасности опасного производственного объекта (ОПО), а также необходимость создания системы оценки рисков аварий и инцидентов в нефтегазовой отрасли и применения на этой основе экономических решений по обеспечению безопасности определяют актуальность настоящей работы.

Степень разработанности проблемы. Вопросам промышленной безопасности и риск-менеджмента посвящены работы: Гражданкина А.И., Емельянова А.А., Котляревского В.А., Кумамото Х., Одишарии Г.Э., Сафонова В.С., Ханухова Х.М., Хенли Э.Дж., Шаталова А.А., Швыряева А.В. и других авторов.

Среди работ, связанных с теорией нечетких множеств, можно назвать труды: Алтунина А.Е., Асаи К., Дюбуа Д., Заде Л.А., Мамдани Е., Недосекина А.О., Прада А., Ротштейна А.П., Семухина М.В., Сугено М., Тэрано Т., Штовбы С.Д., Ярушкиной Н.Г. и других авторов.

Существующие способы оценки вероятности аварии для всего ОПО во многих случаях сложны, громоздки и трудоемки, в основном, из-за отсутствия и неопределенности исходных данных. Как правило, они базируются на методах анализа «деревьев событий». Поэтому на практике вероятность аварии на всем ОПО принимают обычно, как среднестатистическую по отрасли для данного типа ОПО, что не отражает специфики данного ОПО. Кроме того, и это важно, при таком подходе к оценке вероятности аварий на всем ОПО не используются оценки возможности аварий на каждом конкретном элементе оборудования ОПО (сосуд, аппарат, участок технологического трубопровода).

На наш взгляд, этот подход малопригоден для предметного распределения средств на обеспечение промышленной безопасности, поскольку в последнем случае ущерб должен быть оценен для каждого элемента оборудования отдельно. Кроме того, каждая единица оборудования имеет свою собственную степень опасности и свою индивидуальную вероятность аварии. Поэтому средства на обеспечение безопасности должны выделяться в соответствии со степенью опасности каждого элемента оборудования ОПО.

Имитационное моделирование возникновения происшествий на ОПО, основанное на методе Монте-Карло, также не лишено недостатков: функции плотностей вероятности исходных параметров можно получить не для всех параметров; данные модели трудно настраивать на конкретный ОПО. Следовательно, теоретические и методологические аспекты оценки риска аварий требуют дальнейшей разработки.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке методов оценки рисков аварий и инцидентов на объектах нефтегазовой отрасли, алгоритмов и критериев, обеспечивающих оперативность и достоверность прогнозирования потерь, возможность управления процессом обеспечения промышленной безопасности в условиях неопределенности.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:

• анализ существующих методов оценки рисков;
• определение факторов, влияющих на риск аварий и инцидентов;
• обоснование выбора нечетко-множественного подхода к оценке рисков аварий и инцидентов;
• разработка алгоритма оценки вероятностей аварий на каждом элементе оборудования;
• создание алгоритма оптимального распределения денежных средств на обеспечение безопасности ОПО по статьям расходов;
• содержательный анализ функционирования в условиях промышленных рисков Оренбургского газоперерабатывающего завода;
• создание автоматизированной системы поддержки принятия решений (СППР) по управлению процессом обеспечения промышленной безопасности ОПО;
• верификация разработанного метода оценки рисков аварий и инцидентов с использованием реальных данных.

Объектом исследования является процесс обеспечения промышленной безопасности на опасных производственных объектах нефтегазовой отрасли.

Предметом исследования является приложение методов теории нечетких множеств к оценке рисков аварий и инцидентов и формированию системы управления промышленной безопасностью.

Исследование проведено в рамках специальности 08.00.13 – «Математические и инструментальные методы экономики» паспорта специальностей ВАК (экономические науки) и соответствует:

п. 1.4 «Разработка и исследование моделей и математических методов анализа микроэкономических процессов и систем: отраслей народного хозяйства, фирм и предприятий, домашних хозяйств, рынков, механизмов формирования спроса и потребления, способов количественной оценки предпринимательских рисков и обоснования инвестиционных решений»;

п. 2.3 «Разработка систем поддержки принятия решений для рационализации организационных структур и оптимизации управления экономикой на всех уровнях».

Теоретической и методологической базой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых в области управления процессом обеспечения промышленной безопасности, страхования, инвестиционных проектов, нормативные и законодательные акты РФ и Оренбургской области.

В процессе исследования применены методы теории нечетких множеств, теории вероятностей, математической статистики, динамического программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложена функциональная зависимость для оценки риска аварий и инцидентов на ОПО, на каждом элементе оборудования данного объекта, позволяющая учитывать различные сценарии развития аварий;

2) разработан алгоритм оценивания вероятностей возникновения аварий и инцидентов на каждом отдельном элементе оборудования с использованием экспертных и байесовских оценок;

3) предложен подход к получению количественных оценок человеческого фактора, технического состояния оборудования, а также качества диагностирования и контроля оборудования на основе нечеткой базы знаний, позволяющий осуществлять расчет рисков аварий и инцидентов;

4) создан новый алгоритм оптимального распределения денежных средств по статьям соответствующих расходов, связанных с уменьшением рисков;

5) предложен критерий оценки эффективности инвестиционных решений в нефтегазовой отрасли, учитывающий ожидаемые затраты от последствий аварий и инцидентов на ОПО;

6) разработан концептуальный подход к интеграции СППР на базе нечеткой экспертной системы, с единым системным ядром и унифицированным интерфейсом, позволяющий путем подключения новых баз знаний и баз данных создавать требуемую пользователю вычислительно - коммуникационную среду.

Основные положения, выносимые на защиту:

• обоснование возможности применения нечетко-множественного подхода к оценке рисков аварий и инцидентов;
• функциональная зависимость для оценки риска аварий и инцидентов;
• алгоритм оценивания вероятностей аварий и инцидентов на каждом отдельно взятом элементе оборудования ОПО;
• подход к получению оценок человеческого фактора, технического состояния оборудования, качества его диагностирования и контроля, связанных с фактором риска;
• алгоритм оптимального распределения денежных средств по статьям соответствующих расходов, связанных с уменьшением рисков;
• критерий оценки эффективности инвестиционных решений в нефтегазовой отрасли, учитывающий ожидаемые затраты от последствий аварий и инцидентов на ОПО.

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что в нем получены результаты, уточняющие и расширяющие имеющиеся представления об оценивании рисков аварий и инцидентов и управлении процессом обеспечения промышленной безопасности.

Практическая значимость исследования. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при составлении деклараций промышленной безопасности предприятий нефтегазовой отрасли. С помощью реализованной СППР можно классифицировать элементы оборудования ОПО по группам опасности, эффективно распределять денежные средства на цели обеспечения промышленной безопасности, выработать программу защиты от возможных материальных, финансовых, людских потерь; снабдить потенциальных партнеров (инвесторов и страховщиков) информацией о риске и эффективности проекта, т.е. о целесообразности участия в проекте.

С помощью разработанного метода можно также с достаточной достоверностью оценивать риски аварий и инцидентов. Предложенный метод прост в практическом применении. Он учитывает специфику конкретного ОПО и дает возможность предметного распределения денежных средств, выделяемых на безопасность всего ОПО в целом.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационного исследования на различных этапах представлялись в научных докладах, статьях и получили положительную оценку на международных, всероссийских и межрегиональных научно-практических конференциях: Международной научно-практической конференции «Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями» (Москва, МЭСИ, 2005), Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, ОГУ, 2005), X юбилейной межрегиональной научно-практической конференции для студентов и аспирантов «Исследования молодежи – экономике, производству, образованию» (Сыктывкар, СЛИ, 2005), IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы Российской экономики» (Пенза, ПГУ, 2005).

Основные теоретические и практические результаты, методы, алгоритмы, внедрены и прошли практическую апробацию в ООО «Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа» при оценивании рисков и распределении денежных средств, выделяемых на безопасность в Оренбургском газоперерабатывающем заводе (ОГПЗ) ООО «Оренбургазпром».

Все указанные направления практического использования результатов диссертации подтверждены документами о внедрении.

Различные теоретические и методические положения выполненного исследования, а также практические разработки используются в дисциплинах «Базы данных и знаний», «Теория оптимального управления» в учебном процессе Оренбургского государственного университета.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 7 научных работ общим объемом 2 п.л., кроме того, зарегистрирована программа для ЭВМ системы поддержки принятия решений в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (Роспатент), свидетельство № 2006611095, дата регистрации 24.03.2006.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 146 наименований, 2 приложений, 3 таблиц и 21 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи диссертационного исследования. Определяется объект и предмет, теоретические и методологические основы исследования, научная новизна, практическая значимость работы.

В первой главе «Риски в нефтегазовой отрасли» рассмотрена концепция рисков в нефтегазовой отрасли, проанализированы методы прогнозирования риска, приведены классификация и характеристика рисков.

Человеческий фактор и механические разрушения представляют собой основные факторы аварийности. Состояние основных фондов нефтегазовой отрасли таково, что уже в ближайшие годы резко интенсифицируются процессы массового выбытия производственных мощностей. Износ основных производственных фондов составляет более 80 %. В связи со старением оборудования возрастает риск аварий и чрезвычайных ситуаций (ЧС), что, в свою очередь, связано с материальными потерями, болезнями и гибелью людей.

Нами использовалось следующее определение риска: Риск - вероятность аварии или инцидента , объединенная с возможными последствиями. Расчет и анализ риска является методическим инструментом, при помощи которого потенциальная опасность может быть оценена количественно. Во многих случаях этот инструмент является единственной возможностью исследовать сложные аспекты безопасности.

Ввиду недостатка информации для строгого применения вероятностных моделей и трудностей оперирования случайными величинами, а также в связи с тем, что с интервальными величинами можно работать в рамках теории нечетких множеств, последняя приобретает здесь большое значение. Продуктивным подходом к учету неопределенностей в нефтегазовой отрасли является разработка методов, основанных на нечеткой информации. Нечетко-множественный подход позволяет совмещать в методах оценивания рисков качественные аспекты, не имеющие точной числовой оценки, и количественные признаки, что резко повышает уровень применяемых методов. При изучении психологического климата в коллективе работников установки, эксперт может дать следующие оценки: «хороший», «средний», «плохой». Базовым аппаратом для описания неопределенностей в процессе производства нефти и газа в данной диссертационной работе выбран аппарат теории нечетких множеств.

В диссертации приведены классификация и возможные объемы затрат, порождаемые авариями. Существуют различные способы уменьшения риска. Самый прямой из них - снижение вероятности наступления неблагоприятных событий или их последствий путем принятия технических или организационных мер. Таковыми могут быть: меры по технике безопасности, проектирование специальных защитных систем, обучение персонала, создание запасов комплектующих на случай аварии и т.д. Другая возможность - создание финансовых механизмов компенсации ущербов: организация резервных финансовых фондов, передача риска другому учреждению за соответствующую плату (страхование), или создание собственной кэптивной страховой компании, государственное финансирование мероприятий по ликвидации чрезвычайных ситуаций. Меры по снижению вероятности аварии, как показывает практика, на два-три порядка эффективнее мер, направленных на снижение возможных ущербов по критерию «затраты-результаты».

Во второй главе «Оценивание рисков аварий и инцидентов, разработка автоматизированной системы поддержки принятия решений в управлении процессом обеспечения промышленной безопасности нефтегазового предприятия» предложен новый метод оценки риска аварий и инцидентов на основе теории нечетких множеств. Возникновение аварий на ОПО подчиняется схеме испытаний Бернулли с переменными вероятностями, так как авария на - том элементе оборудования может произойти с какой-то вероятностью или не произойти - с вероятностью . Сумма этих вероятностей – ожидаемое количество аварий на всем ОПО - имеет в пределе распределение Пуассона , где - число аварий в год ; - число элементов оборудования ОПО; . Сами же величины вероятностей аварий на элементе оборудования ОПО по центральной предельной теореме подчиняются нормальному распределению, поскольку определяются большим количеством малых, не имеющих доминирующего влияния, возмущающих факторов: старение оборудования, коррозионная стойкость, твердость материала, квалификация обслуживающего персонала, агрессивность среды, давление, температура и т. д.

Перейдем к разработке метода оценки рисков аварий и инцидентов.

Полученная нами формула оценки риска аварий и инцидентов на всем ОПО выглядит следующим образом:

, (1)

где - вероятность аварий на - том элементе оборудования;

- условная вероятность развития аварии по сценарию ;

- ожидаемый ущерб при реализации аварии по сценарию , включающий затраты на восстановление оборудования, от простоя производства, штрафы за нарушение экологии, социальные выплаты;

- число элементов оборудования, на которые может воздействовать - ый элемент оборудования;

- общее число элементов оборудования;

- вероятность инцидентов на - том элементе оборудования;

- ожидаемый ущерб от инцидентов на - том элементе оборудования.

В существующих методах оценки риска не используются оценки возможности аварий на каждом конкретном элементе оборудования ОПО, а принимается вероятность аварий для всего ОПО в целом. При этом в качестве принимают среднестатистическую вероятность аварии по отрасли, для конкретного типа ОПО, что не отражает его специфики. В нашем случае для оценки риска, необходимо знать вероятности аварий и инцидентов на каждом элементе оборудования.

На наш взгляд, целесообразно создание компьютерной СППР, позволяющей оценивать риски аварий и инцидентов и выдавать рекомендации по предметному распределению денежных средств на промышленную безопасность между элементами оборудования и обслуживающим персоналом установок ОПО. Ядром такой СППР является нечеткая экспертная система (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Нечеткая экспертная система

Основной целью создания нечеткой экспертной системы является получение численных оценок показателей - технического состояния элемента оборудования - и уровня человеческого фактора - , . Эти оценки используются для определения рисков аварий и инцидентов.

Базы знаний нечеткой экспертной системы имеют иерархическое построение, т.е. выходная переменная одной базы знаний является входной для другой, т.к. при большом количестве входов эксперту трудно описать причинно-следственные связи в виде нечетких правил. Кроме того, иерархические базы знаний позволяют с помощью небольшого количества нечетких правил адекватно описать многомерные зависимости «входы – выход».

В качестве алгоритма нечеткого логического вывода был выбран алгоритм Мамдани, т. к. его правила базы знаний интуитивно понятны. Правила нечетких баз знаний строились на основании нормативных документов и экспертной информации.

Например, правила могут быть такими: Если «Срок эксплуатации нормативный» = «От 3 до 10 лет» и «Группа опасности содержащихся веществ» = «3» и «Категория элемента оборудования» = «3» и «Скорость коррозии» = «Низкая» и «Качество диагностики» = «Среднее» и «Датчики» = «Имеются» и «Технический контроль» = «Низкий» то «Состояние элемента оборудования» = «Очень хорошее».

Если «Профессионализм» = «Очень высокий» и «Психофизиологический фактор» = «Высокий» и «Личностный фактор» = «Высокий» и «Климат» = «Хороший» и «Контроль работы персонала» = «Средний» и «Контроль знаний» = «Средний» и «Повышение квалификации» = «Среднее» и «Количество коллективных смотров-конкурсов» = «Среднее» то «Уровень человеческого фактора» = «Очень высокий».

Для определения профессиональных, личностных и психофизиологических факторов можно использовать тестирование. Лицо, имеющее удостоверение эксперта (например, начальник установки), может определить климат в группе как «Плохой», «Средний», «Хороший».

Рассмотрим алгоритм оценки вероятностей аварий и инцидентов на каждом отдельно взятом элементе оборудования ОПО.

Соотношения гипотез относительно того, что инциденты (событие B) произойдут по причине технического и человеческого фактора , найдем с помощью теоремы Байеса. Первоначально соотношение гипотез возьмем из данных отраслевой статистики 0,6:0,4^[1]

.

Условные вероятности по результатам фактических инцидентов, произошедших на ОПО, будем определять как отношение числа инцидентов с исходом определенного преобладающего фактора к общему числу инцидентов:

; ,

где - число инцидентов по вине преимущественно технического фактора;

- число инцидентов по вине преимущественно человеческого фактора;

- общее число инцидентов, произошедших на ОПО.

Для вычисления полных вероятностей инцидентов используется следующая зависимость:

Апостериорные вероятности инцидентов по формуле Байеса находятся следующим образом:

,

Средняя интенсивность потока аварий (инцидентов ) на ОПО вычисляется для некоторой отраслевой совокупности действующих объектов нефтегазовой отрасли по известной зависимости:

      ,

где - число аварий по отрасли (инцидентов на конкретном ОПО);

- число ОПО для аварий (элементов оборудования для конкретного ОПО для инцидентов);

- период эксплуатации, лет.

При вычислении используется известная статистика аварий по отрасли.

При вычислении предлагаем использовать статистику ОПО.

Вероятности аварий и инцидентов для элементов оборудования находятся по предложенным нами формулам:

,

, (2)

где , - средние технических состояний, , - средние уровней человеческого фактора, при которых произошли аварии и инциденты на ОПО.

Распределение денежных средств на безопасность является важной задачей в управлении процессом обеспечения промышленной безопасности. Денежные средства предприятий ограничены, поэтому их нужно распределять между решениями, дающими наибольший эффект от уменьшения риска аварий и инцидентов. При этом сумма затрат на превентивные мероприятия и возмещение потерь от ожидаемого ущерба должна быть минимальной из всех возможных вариантов. Для поиска оптимального решения поставленной задачи используем нечеткую экспертную систему (НЭС). Предлагаемый нами алгоритм распределения денежных средств, выделяемых на обеспечение промышленной безопасности ОПО по статьям расходов, состоит в следующем. На первом этапе денежные средства выделяются по минимуму на решения, оговоренные законодательством, правилами эксплуатации элементов оборудования, планами диагностирования оборудования и т.д. На втором этапе распределяются оставшиеся денежные средства в соответствии с удельным эффектом мероприятий - отношением эффекта , найденного с помощью НЭС в составе СППР от проводимых мероприятий, к расходу ресурса на - ое мероприятие по уменьшению рисков - :

,

,

где - ожидаемые ущербы без применения мероприятия по уменьшению риска и с применением, соответственно.

Нахождение оптимального решения сводится к упорядочению альтернатив по величине удельного эффекта и последовательному включению их в рассмотрение, пока не будет достигнут заданный объем денежных ресурсов, выделенных на безопасность, или пока выделение дополнительных средств на безопасность перестанет быть эффективным.

Проранжируем все установки по ожидаемому ущербу по убыванию. Сначала денежные средства выделяются на те установки, на которых средний ожидаемый ущерб максимальный. Если средний ожидаемый ущерб на рассматриваемой установке становится меньше ущерба следующей по порядку установки, то переходим к ней. С помощью этой процедуры достигается пропорциональность при определении опасности всех установок.

В третьей главе «Использование системы поддержки принятия решений и исследование процессов безопасного функционирования Оренбургского газоперерабатывающего завода» на основе предложенного метода оценки рисков аварий и инцидентов, алгоритма распределения денежных ресурсов, выделенных на промышленную безопасность и разработанной СППР, проведено исследование промышленной безопасности на Оренбургском газоперерабатывающем заводе (ОГПЗ), и рассмотрены приложения СППР.

Всего на ОГПЗ эксплуатируется 1790 сосудов, работающих под давлением, и 34 паровых котла. Из них выработавших первоначальный ресурс - 1665 единиц. Общая протяженность технологических трубопроводов ОГПЗ составляет 370,55 км.

Была проверена гипотеза о том, что вероятности аварий на элементах оборудования подчинены нормальному распределению, с использованием критерия Колмогорова-Смирнова. Критерий показал, что при уровне значимости эта гипотеза не может быть отвергнута. В математической статистике нельзя дать абсолютно утвердительного ответа ни по одному из параметров. Можно только с определенной степенью достоверности указывать пределы, в которых находится значение параметра. Были оценены 95 % доверительные интервалы для средних вероятностей аварий на ОГПЗ. Они составили: на сосудах - ; на метре трубопровода - .

Для проверки гипотезы «средняя вероятность числа аварий на сосудах и трубопроводах ОГПЗ не отличается от средней вероятности аварий, полученной из отраслевой статистики» использовался - критерий Стьюдента. Данная гипотеза была отвергнута при уровне значимости . Это можно объяснить тем, что более 90 % оборудования ОГПЗ превысило нормативный срок эксплуатации.

Определены доверительные интервалы для числа аварий за год. Использовалось известное соотношение между суммой членов пуассоновского распределения и интегралом распределения хи-квадрат -. В результате этого исследования было подтверждено, что ожидаемое число аварий на ОПО подчиняется распределению Пуассона.

Анализируя полученные в диссертации из СППР результаты оценивания рисков, можно придти к выводу, что использование нечеткой экспертной системы в совокупности с данными статистики конкретного ОПО, дает более верные результаты в оценивании рисков, чем при использовании лишь данных отраслевой статистики. Так, число инцидентов в год, предсказанных СППР, соответствует наблюдаемому количеству. Предсказанная СППР вероятность возникновения аварии выше, чем по данным отраслевой статистики примерно в 1,2 раза, что и ожидалось, поскольку более 90 % элементов оборудования ОГПЗ превысило нормативный срок эксплуатации.

В результате практического использования СППР получены следующие результаты (см. рисунки 2,3): техническое состояние элементов оборудования ОГПЗ после второго этапа распределения ресурсов улучшится по сравнению с первым (увеличится доля элементов оборудования с техническим состоянием и уменьшится доля ), возрастет уровень человеческого фактора (нижняя граница после второго этапа станет равной 0,7 вместо 0,55 после первого этапа).

Рисунок 2 – Первый этап Рисунок 3 – Второй этап

Итогом работы СППР является распределения ресурсов между элементами оборудования и мероприятиями, повышающими уровни человеческого фактора на установках. Формируется план проведения конкретных мероприятий по обеспечению промышленной безопасности, и определяются соответствующие им денежные суммы.

Инвестиции в нефтегазовые объекты сопряжены с неопределенностью. Заранее неизвестно, каковы будут цены на ресурсы, налоги, объем добычи, затраты в случае аварий. Инвестор заинтересован в получении максимальной прибыли. Из всех предлагаемых проектов необходимо выбрать тот, в котором прибыль будет максимальной. Использование стандартных вероятностных моделей, с определенными функциями распределения входных параметров, является необоснованным. Классическое использование математической статистики основано на предположении, что генеральная совокупность является однородной, что в реальности не выполняется.

Помимо вложения средств в промышленную безопасность, предприятие может осуществлять другие инвестиции, например, в расширение, реконструкцию производства и т.д., и поэтому денежные средства должны эффективно распределяться в этих инвестиционных проектах.

В качестве критерия оценки эффективности инвестиций и сравнения проектов целесообразно использовать показатель чистого дисконтированного дохода , рассчитываемый с учетом специфики ОПО, по следующей, предложенной нами формуле:

, (3)

где - объем инвестиций на уменьшение риска аварий и инцидентов в - ом периоде;

- объем прочих инвестиций в - ом периоде;

- срок жизни проекта;

- разность между доходами от реализации продукции и затратами (отчисление налогов, заработная плата и т.д.) в - ом периоде;

- риски аварий и инцидентов на ОПО в - ом периоде, найденные с помощью (1), (2);

- норма дисконта (обычно 0,1- 0,2).

Значения переменных предлагаем определять экспертно в виде - уровневых множеств, что адекватно описывает неопределенность этих показателей, имеющих субъективную природу, и позволяет непосредственно производить арифметические операции с ними.

В результате распределения денежных средств с помощью СППР по статьям расходов для каждого граничного - уровневого значения определяются такие, что . В ходе работы СППР пересчитываются технические состояния элементов оборудования и уровни человеческого фактора, которые являются исходными для следующего вычисления .

В результате вычислений по формуле (3) с помощью - уровневого принципа обобщения получим нечеткое число . Увеличивая число уровней, можно уточнить значение . Полученная характеристическая функция учитывает все сценарии варьирования входящих в нее переменных. Чтобы сравнить различных проектов с целью выбора наиболее эффективного, проведем дефаззификацию полученных нечетких значений, используя метод нахождения центра тяжести.

Одним из способов обеспечения промышленной безопасности является замена элементов оборудования. На практике обычно замена производится в случае наличия неремонтопригодных дефектов. Однако диагностика, ремонт и дальнейшая эксплуатация элементов оборудования с ремонтопригодными дефектами могут оказаться экономически нецелесообразными. Для определения целесообразности замены элемента оборудования предлагается использовать методы теории нечетких множеств.

Исходя из всех возможных затрат за период ожидаемой продленной эксплуатации в результате диагностирования рассматриваемого элемента оборудования и определения операции дисконтирования возможный доход от эксплуатации элемента оборудования, в случае замены и не замены , оценивается с помощью следующих, предложенных нами, зависимостей:

,

,

где - ожидаемая прибыль от эксплуатации не замененного и замененного оборудования;

- затраты на ремонт не замененного и замененного оборудования;

- затраты на контроль за работой не замененного и замененного оборудования;

- риски аварий на не замененном и замененном оборудовании, полученные в результате работы СППР;

- риски инцидентов на не замененном и замененном оборудовании, полученные в результате работы СППР;

- стоимость продажи оборудования;

- стоимость приобретения нового оборудования;

- норма дисконта (обычно 0,1 - 0,2);

- стоимость диагностики оборудования;

- число лет эксплуатации оборудования;

- ожидаемое время продленной эксплуатации по результатам диагностирования.

Значения переменных ,, определяются экспертно в виде - уровневых множеств.

Увеличивая число уровней, можно уточнить нечеткие значения и . Наконец, в результате дефаззификации этих нечетких значений, используя метод нахождения центра тяжести, найдем четкие числа и . Если , то элемент оборудования нужно заменить, в противном случае - продолжать эксплуатировать.

В диссертации предложен способ применения цепей Маркова в управлении процессом обеспечения промышленной безопасности. С их помощью можно определить оптимальную стратегию вложения денежных средств на несколько лет. В зависимости от уровня человеческого фактора в текущем году, который находится из нечеткой экспертной системы, выбирается оптимальное, по возможным затратам, вложение средств на уменьшение риска аварий и инцидентов по причине человеческого фактора, при котором риск будет наименьшим. Применение этого подхода способствует выработке оптимальной стратегии подготовки персонала ОПО в плане охраны труда на несколько лет.

В заключении отражены основные выводы и результаты диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Эксплуатация нефтегазовых объектов сопряжена с возможностью аварий и инцидентов, влекущих большие экономические, экологические и социальные затраты. В результате проведенного анализа было выявлено, что существующие методы оценивания рисков аварий и инцидентов несовершенны и недостаточно точны.

2. Создана нечеткая экспертная система: нечеткие базы знаний, база данных и обрабатывающая программа. С помощью нее производятся оценки человеческого фактора работников установок и технического состояния элементов оборудования - основных причин аварийности, а также качества диагностирования и контроля оборудования.

3. Разработан метод оценки рисков аварий и инцидентов на ОПО. Метод использует данные, полученные из нечеткой экспертной системы, статистику аварий по отрасли для конкретного типа ОПО и инцидентов на ОПО, байесовский подход.

4. Создан алгоритм оптимального распределения денежных средств на обеспечение безопасности ОПО по статьям расходов на основе разработанного метода оценки рисков аварий и инцидентов. Средства распределяются на мероприятия по уменьшению рисков на каждый элемент оборудования и на обслуживающий персонал каждой установки.

5. Предложен критерий оценки эффективности инвестиционного проекта в нефтегазовой отрасли с помощью теории нечетких множеств. Использование предложенного критерия позволяет: помимо прочих инвестиций учитывать инвестиции в обеспечение промышленной безопасности и соответствующие ожидаемые затраты от последствий аварий и инцидентов на ОПО, предсказанные СППР, выбрать наиболее эффективный проект.

6. Разработан критерий целесообразности замены оборудования. В критерии учитывается прибыль от эксплуатации, стоимость ремонта, затраты на эксплуатацию, риски возможных аварий и инцидентов, найденные с помощью СППР. Разработанный критерий может быть полезен для установления экономической целесообразности замены элементов оборудования ОПО.

7. Предложен способ применения марковских процессов принятия решений, позволяющий определить оптимальную стратегию инвестирования денежных средств в целях уменьшения риска аварий по причине человеческого фактора.

8. Разработана и реализована СППР на основе созданного метода оценки риска аварий и инцидентов, нечеткой экспертной системы и алгоритма оптимального распределения денежных средств на обеспечение безопасности ОПО по статьям расходов. Данную систему можно настроить на конкретный ОПО. СППР позволяет оценить ожидаемый ущерб за год на всем ОПО и на каждом элементе оборудования, сформировать план распределения денежных средств по статьям расходов на каждый элемент оборудования и обслуживающий персонал каждой установки в виде итоговых таблиц базы данных. СППР разработана в среде системы MATLAB. В качестве системы управления базами данных использован Microsoft Access. Использование разработанной СППР способствует эффективному управлению процессом обеспечения промышленной безопасности.

9. Экспериментальные расчеты, проведенные на основе данных ОГПЗ, дают основание констатировать единство совокупности экономико-математических методов и алгоритмов, объединенных в интегрированную информационную систему. Апробация метода оценки рисков аварий и инцидентов на реальных данных ОГПЗ позволила удостовериться в совпадении теоретических и практических результатов.

10. С помощью СППР оценен ожидаемый ущерб от аварий и инцидентов на Оренбургском газоперерабатывающем заводе на 2006 год. Ожидаемый экономический эффект от оптимального распределения денежных средств по статьям расходов с помощью СППР на ОГПЗ в 2006 году составил 1 млн. 200 тыс. руб.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Буреш О.В., Глухов С.В. Определение оптимальной стратегии инвестирования на основе использования марковских цепей и нечетких множеств с целью уменьшения риска аварий на нефтегазовых объектах [Текст] /О.В. Буреш, С.В. Глухов// Проблемы и перспективы Российской экономики: Материалы Всероссийской научно-практической конференции/ Пензенский государственный университет. - Пенза, 2005. - 0,16 п.л.

2 Буреш О.В., Глухов С.В. Оценка эффективности инвестиций в объекты нефтегазовой отрасли с помощью аппарата нечеткой математики [Текст] /О.В. Буреш, С.В. Глухов// Формирование рыночного хозяйства: теория и практика: сборник научных статей. Выпуск VI. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. – 0,16 п.л.

3 Буреш О.В., Глухов С.В. Нечеткая экспертная система по определению технического состояния оборудования и уровня человеческого фактора – основных причин аварийности в нефтегазовой отрасли //Вестник Оренбургского государственного университета. – 2005. - №12 - 0,75 п.л.

4 Глухов С.В. Оценка экономической целесообразности замены оборудования на предприятиях нефтегазового комплекса с помощью нечеткой математики [Текст] /С.В. Глухов// Исследования молодежи – экономике, производству, образованию: Материалы X юбилейной межрегиональной научно-практической конференции для студентов и аспирантов в 2-х т.: т.2/ Сыктывкарский лесной институт. – Сыктывкар, 2006. – 0,23 п.л.

5 Буреш О.В., Глухов С.В. Создание компьютерной системы управления промышленной безопасностью нефтегазового предприятия на основе нечеткой базы знаний [Текст] /О.В. Буреш, С.В. Глухов// Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий: Материалы международной научно-практической конференции/ Московский государственный университет экономики, статистики и информатики. – Москва, 2005. – 0,26 п.л.

6 Глухов С.В. Применение байесовского подхода для определения соотношений вероятностей гипотез о причинах аварий [Текст] /С.В. Глухов// Математические методы и инструментальные средства в информационных системах: Сборник научных трудов Оренбургского государственного университета. Выпуск 4-й. – ИПК ГОУ ОГУ, 2005. – 0,22 п.л.

7 Глухов С.В. Оценка риска аварий на опасном производственном объекте [Текст] /С.В. Глухов// Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: Материалы всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) / Оренбургский государственный университет. – Оренбург, ИПК ГОУ ОГУ, 2005. – 0,23 п.л.

8. Глухов С.В. Оценка рисков аварий и инцидентов. Распределение ресурсов на промышленную безопасность нефтегазовых предприятий: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006611095, дата регистрации 24.03.2006 / С.В. Глухов // Российское агентство по патентам и товарным знакам (Роспатент), 2006

---

1 Кульечев В.М. Итоги 2003 г. Задачи на 2004 г. // Безопасность труда в промышленности. – 2004.- №1.- С. 3