Способ и система прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени Российский патент 2020 года по МПК G16Z99/00 G08B31/00 G08B19/00 A62C3/00 

Изобретение относится к области информационных систем промышленной безопасности, связанных с автоматизацией действий диспетчерских служб опасных производственных объектов и поддержки принятия решений при возникновении аварии с выбросом опасных веществ.

Уровень техники

Известны способы и системы экологического мониторинга химически опасных объектов [1-3], которые в основном посвящены вопросам расстановки датчиков, отслеживающих/фиксирующих возникновение превышения пороговых концентраций опасных веществ на местности, определения необходимого количества датчиков, интерпретации их показаний с целью установления местоположения облака опасных веществ и возможного места его появления. Указанные способы и системы [1-3] предполагают действия по прогнозированию последствий аварий, однако описание сущности этого действия выходит за рамки указанных изобретений. Особенностями изобретений [1-3] является использование в качестве критерия для запуска прогнозирования исключительно превышение предельно допустимой концентрации (ПДК - максимальная концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний). Обычно ПДК для опасных веществ характеризуется малыми величинами, определив превышение которых, затруднительно сделать заключение о реальных масштабах и месте аварии. Использование такого критерия актуально для области экологического мониторинга, к которой относятся указанные изобретения, где обычно рассматриваются длительные выбросы из стационарных источников (запланированные выбросы предприятий). Однако, для мониторинга и прогнозирования последствий промышленных аварий, которые характеризуются существенно более тяжелыми исходами, использование в качестве критерия установления аварийной ситуации ПДК является недостаточным. Например, при выбросах взрывоопасных веществ представляет интерес отслеживание концентрации взрывоопасных пределов воспламенения и проведение прогнозирования не только рассеивания, но горения или взрыва облаков топливно-воздушных смесей, т.к. указанный процесс может вызвать существенно более опасные последствия, чем кратковременное отравляющее воздействие на организм.

Более того, запланированные выбросы предприятий и аварийные выбросы опасных веществ могут существенно отличаться по характеристикам распространения. Так, например, запланированные выбросы обычно происходят на значительной высоте, где для улучшения рассеивания опасных веществ в атмосфере их выбрасывают в нагретом состоянии. Исходя из этого, для прогнозирования поведения таких выбросов в атмосфере обычно используют упрощенные «гауссовы» модели рассеивания, которые хорошо описывают распространение газов с плотностью ниже или соответствующей плотности воздуха («легкие» газы). Одна из таких моделей представлена в работе [4]. Аварийные выбросы опасных веществ, напротив, обычно имеют плотность, превышающую плотность воздуха. Для прогнозирования распространения таких веществ необходимо использовать более сложные модели рассеивания, учитывающие, в частности, гравитационное растекание облака, рассеивание облака в вертикальном направлении за счет атмосферной турбулентности, нагрев и охлаждение облака за счет подмешивания воздуха, фазовые переходы в облаке, теплообмен облака с подстилающей поверхностью.

В работе [4] предложен способ экологического мониторинга химически опасных объектов при аварийном выбросе в атмосферу токсичного вещества, в котором используются результаты мониторинга экологической обстановки с использованием системы пороговых датчиков для определения координат центра облака выброса и массы содержащегося в нем токсичного химиката. Определение параметров облака выброса достигается путем решения обратной задачи распространения примеси в атмосфере с учетом граничных условий, которые определяются с использованием датчиков, расположенных последовательно у поверхности земли и на выбранной фиксированной высоте над поверхностью. Установлены аналитические соотношения для расчета координат центра облака и его массы в начальный момент времени. Учитываются моменты времени срабатывания трех датчиков при достижении пороговой концентрации токсичного химиката во фронте надвигающегося облака и моменты времени окончания срабатывания при уменьшении концентрации ниже порогового значения при удалении облака.

Известна также система мониторинга и прогнозирования ущерба в реальном времени [5] в случае утечки опасных химических веществ на промышленном объекте или во время их транспортировки. Эта система рассчитывает концентрацию утечки опасных химических веществ в каждом районе, в котором, как ожидается, будет нанесен ущерб, путем моделирования рассеивания выброса с учетом плана местности вокруг объекта, погодных условий в реальном времени. Эта система мониторинга и прогнозирования ущерба в режиме реального времени [5] может вычислять количество людей, которые, по оценкам, будут подвержены ущербу, и площадь негативного воздействия, учитывая концентрацию опасного вещества и времени ее воздействия с целью предотвращения несчастных случаев.

В рассматриваемых изобретениях [1-5] единственным опасным фактором аварии является токсическое поражение людей, при этом не рассматриваются сценарии аварии с взрывом или горением облаков топливно-воздушных смесей, которые могут приводить к существенному ущербу.

В рассматриваемых изобретениях [1-4] единственным результатом прогнозирования являются зоны загазованности, однако при сопоставлении этих областей с областями пребывания людей может быть определено приблизительное количество лиц, попадающих в зоны поражения. Более того, путем сопоставления зон поражения волной сжатия при взрыве топливно-воздушных смесей и расположения зданий, сооружений и оборудования могут быть определены степени разрушения последних.

Другим важным моментом является то, что система прогнозирования должна получать актуальные сведения из других систем, например, данные о погоде, о технологическом процессе, о показаниях датчиков. Здесь и далее под датчиками подразумеваются устройства, по показаниям которых можно судить о наступлении аварийной ситуации, например, по превышению пороговой концентрации опасного вещества (датчики загазованности), по резкому падению давления в емкости, по иным сигналам от системы противоаварийной защиты и т.д., сигналов возникновения аварии и др. Возможности коммутации с различными источниками данных у систем прогнозирования могут быть либо фиксированными (когда для подключения нового источника данных необходима переработка системы прогнозирования), либо настраиваемыми (когда возможность подключения нового источника данных предусмотрена в системе прогнозирования без ее изменения). Все известные системы прогнозирования относятся к первому типу [6-7]. При этом на опасных производственных объектах могут применяться различные источники данных. Переработка системы прогнозирования под каждый объект внедрения является нерациональным шагом, который усложняет дальнейшее обслуживание этих систем. В этом смысле прогрессивным подходом является разработка архитектуры системы прогнозирования по второму типу, который подразумевает, что подключение к новым источникам данных является штатной функцией системы прогнозирования.

Основным назначением системы прогнозирования является не только информирование диспетчера о возможных последствиях аварии (как в изобретениях [1-5] и программных средствах [6-7]), но и автоматизация его действий по выбору сценария оповещения и передаче результатов прогнозирования в диспетчерские службы МЧС, Ростехнадзора, региональной власти и органов местного самоуправления. Для выполнения этих действия система прогнозирования должна обладать возможностями взаимодействия с различными системами оповещения и автоматической передачи им результатов прогнозирования.

Однако известные технические решения [1-4] предназначены для оценки последствий запланированных выбросов «легких» газов и не применимы для случаев промышленных аварий с участием опасных веществ. Из-за этого недостатка для случаев промышленных аварий алгоритм определения параметров и местоположения источника выброса изобретения [4] будет выдавать результат с очень большими ошибками, из-за чего он будет непригоден для дальнейшего использования. Способ [4] содержит подробное описание алгоритма определения параметров и местоположения источника выброса для проведения дальнейшего прогнозирования аварии, но при этом самого прогнозирования не касается. Не приводится также описание возможностей и ограничений используемой методики моделирования рассеивания аварийных выбросов в изобретении [5].

Наиболее близким аналогом к рассматриваемому изобретению является способ [4], т.к. он позволяет не только проводить расчеты размеров зон поражения при поступлении сигнала от датчиков опасных факторов о превышении ПДК, но и определять возможное местоположение источника выброса. Однако, в этом изобретении отсутствует учет актуальных данных о параметрах технологического процесса до возникновения аварии для более точного моделирования сценария выброса. Это приводит к снижению эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и системы поддержки принятия решений в случае аварийной ситуации.

Технической целью описываемого изобретения является расширение арсенала средств автоматизации для повышения эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и совершенствования системы поддержки принятия решений при аварийной ситуации путем подачи дополнительно в блок обмена данными сигналов о параметрах технологического процесса (температура, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании), на основании которых обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле параметров опасного оборудования, которые в свою очередь учитываются при проведении вычислений (прогнозирования) в расчетном блоке.

Раскрытие сущности изобретения

Система прогнозирования последствий аварий на опасных производственных объектах с участием опасных веществ в режиме реального времени состоит из следующих основных компонентов: блока исходных данных блока обмена данными о метеоусловиях, показаниях датчиков (здесь и далее под датчиками подразумеваются устройства, по показаниям которых можно судить о наступлении аварийной ситуации, например, по превышению пороговой концентрации опасного вещества, по резкому падению давления в емкости, по иным сигналам от системы противоаварийной защиты и т.д.), параметров технологического процесса, расчетного блока, блока графического интерфейса, модулей связи с внешними системами, блока истории расчетов.

Способ прогнозирования подразумевает использование специальных физико-математических моделей аварийных процессов в расчетном блоке, которые позволяют рассчитывать поступление и рассеивание опасных веществ различной плотности, получать пространственно-временное распределение концентраций опасных веществ в окружающей среде, рассчитывать распределение опасных факторов при диффузионном горении опасных веществ, физических взрывах, взрывах расширяющихся паров вскипающей жидкости, взрывах и горении облаков топливно-воздушных смесей, разлете осколков. Такие модели позволяют применять системы прогнозирования не только в области экологии, но и для оценки последствий промышленных аварий.

Используя указанные модели аварийных процессов, могут быть оценены не только зоны токсического воздействия опасных веществ, но и зоны термического, кинетического, ударно-волнового поражения человека, а также зданий, сооружений.

Применение указанного методического аппарата позволяет, помимо зон распределения концентрации опасных веществ, определить интегральные показатели опасности, такие как: значения токсодозы, вероятности смертельного поражения человека, избыточного давления и импульса на фронте волны сжатия, теплового излучения, а также потенциального риска аварии. Использование различных критериев поражения расширяет возможности для дальнейшей оценки последствий аварий и позволяет более объективно оценить ее негативный результат.

Для получения более подробных оценок последствий аварий способ прогнозирования позволяет в блоке исходных данных задавать места пребывания людей и их количество, в зависимости от времени суток, пути эвакуации, места расположения, типы зданий и других материальных ценностей. С учетом этих данных, а также параметров зон поражения, выполняется определение перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, количества потенциально пострадавших в результате аварии людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности.

Физико-математические модели, реализованные в расчетном блоке, в основном определяют перечень сведений, которые задаются в блоке исходных данных. К ним относятся, в частности параметры технологического процесса (опасное вещество, его количество, давление, температура в аппарате), которые могут изменяться во времени. Для более адекватных оценок последствий аварий перспективно использовать в системе прогнозирования актуальные сведения, полученные, например, из автоматизированной системы управления технологическим процессом.

Интеграция с поставщиками и получателями данных обеспечивается с помощью блока обмена данными, который позволяет работать по универсальному интерфейсу обмена данных со сторонними программами, которые, в свою очередь, обеспечивают поступление сведений в блок обмена данными о текущей погоде, показаниях датчиков, параметрах опасного оборудования, а также прием результатов прогнозирования. Указанные сторонние программы, либо изначально проектируются для работы по универсальному интерфейсу обмена данными, либо разрабатываются модули связи с внешними системами, которые преобразуют формат данных источников к универсальному виду. Такая архитектура позволяет использовать данные о погоде и параметрах технологического процесса в системе прогнозирования из любых сторонних приложений и передавать результаты прогнозирования в системы оповещения, диспетчерские службы МЧС России, органов местного самоуправления и т.д. без внесения изменений в систему прогнозирования, что упрощает ее обслуживание и повышает надежность при работе на опасных производственных объектах (ОПО) различного типа.

Помимо метеоданных и параметров технологического процесса в блок обмена данными могут поступать сигналы из системы обнаружения утечек, либо показания датчиков опасных факторов. Эта информация учитывается при определении сценариев аварии, которые задаются в блоке исходных данных на этапе настройки системы прогнозирования. Если в изобретениях [1-3] прогнозирование выполнялось при превышении предельно допустимой концентрации на датчиках, то в настоящем изобретении применяется более гибкая система. Во-первых, учитывается возможность передачи датчиком двух сигналов превышения пороговых значений концентраций, на которые он настроен. Во-вторых, если датчик позволяет передавать непосредственно значение концентрации опасного вещества, то в системе прогнозирования может быть задано произвольное число условий запуска сценария прогнозирования последствий аварии в зависимости от разных значений концентрации на датчике (например, нижний и верхний концентрационный предел распространения пламени, летальная концентрация и др.). В-третьих, возможности системы прогнозирования позволяют задавать сложные условия для выявления сценариев аварии: одновременное срабатывание нескольких датчиков в сочетании с параметрами технологического процесса (падения давления или роста температуры в оборудовании). Применение указанных подходов позволяет более точно идентифицировать аварийное оборудование, а также оценить масштаб аварии.

Определенные трудности могут возникнуть при задании условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварии вручную на основе показаний датчиков. В предлагаемом изобретении учитывается возможность автоматизировать этот процесс путем использования технологии машинного обучения. Суть метода состоит в предварительном обучении нейронной сети на основе информации о возможных сценариях аварии и зависимостях концентрации опасных веществ от времени в местах расположения датчиков опасных факторов. Данные о зависимостях концентрации опасных веществ в местах расположения датчиков загазованности получаются на основе физико-математического моделирования процесса рассеивания опасных веществ для различных сценариев аварии. После обучения нейронная сеть становится способной решать обратную задачу: по данным о динамике изменения концентрации опасного вещества на датчиках опасных факторов может быть определен сценарий аварии.

Технический результат от применения способа прогнозирования в части обеспечения подробной информацией о масштабах и возможных последствиях выброса опасных веществ достигается в том, что способ предоставляет диспетчеру данные о местах нахождения людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, потенциально попадающих в зоны поражения, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на объекты защиты.

Под зонами поражения понимаются области распределения опасных факторов аварии, оцененные по детерминированным (летальные концентрации, пороговая и смертельная токсодозы опасных веществ, тепловое излучение, давление и импульс на фронте волны сжатия и др.) и риск-ориентированным критериям поражения.

Технический результат от применения способа прогнозирования в части актуальности результатов прогнозирования, определяемых при помощи методов физико-математического моделирования, обеспечивается наличием последних данных о метеорологических условиях в районе выброса, о параметрах технологического процесса и показаниях датчиков, поступающих из внешних систем.

Технический результат от применения способа прогнозирования в части использования нейронных сетей обеспечивается автоматизацией процессов идентификации сценария аварии на основе показаний датчиков. В противном случае, для решения этой задачи необходимо использовать методы экспертной оценки, что при наличии большого количества датчиков опасных факторов и возможных сценариев аварии является довольно трудоемкой процедурой.

Технический результат от применения системы прогнозирования последствий аварий, построенной на основе описываемого способа прогнозирования, заключается в том, что система прогнозирования последствий аварий автоматизирует процессы: сбора информации диспетчером, моделирования аварийной ситуации в реальном времени и прогноза ее развития, что позволит принимать обоснованные на объективных данных организационные решения и оперативно передавать информацию о возможной аварии и масштабе ее последствий во внешние системы (например, в систему оповещения) по команде диспетчера или автоматически, тем самым повышая эффективность реагирования во время чрезвычайной ситуации.

Технический результат, связанный с возможностью интеграции с поставщиками и получателями данных без внесения изменений в систему прогнозирования, обеспечивается за счет приведенной архитектуры системы прогнозирования и позволяет ускорить процесс внедрения, упростить процесс дальнейшей модернизации и расширения системы и повысить надежность системы в целом.

Технической целью описываемого изобретения является расширение арсенала средств автоматизации для повышения эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и совершенствования системы поддержки принятия решений при аварийной ситуации путем подачи дополнительно в блок обмена данными сигналов о параметрах технологического процесса (температура, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании), на основании которых обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле параметров опасного оборудования, которые в свою очередь учитываются при проведении вычислений (прогнозирования) в расчетном блоке.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлены составные блоки системы прогнозирования и потоки данных.

Осуществление изобретения

Система прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени состоит из блока 2 обмена данными, блока 1 исходных данных, расчетного блока 3 математического моделирования сценариев аварии и оценки зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания действия опасных факторов на объекты, блока 4 графического интерфейса. Блок 1 исходных данных подключен к блоку 2 обмена данными и к расчетному блоку 3 математического моделирования сценариев аварии, который выполнен с подключением к блоку 2 обмена данными, причем все указанные блоки подключены к блоку 4 визуализации, при этом, блок 2 обмена данными с внешними источниками информации о метеоданных, показаниях датчиков опасных факторов, параметрах технологического процесса, а также внешними системами-получателями результатов прогнозирования выполнен с возможностью обеспечения работы по универсальному интерфейсу обмена данными без привязки к формату конкретного источника или получателя данных.

Блок 2 обмена данными содержит модули 2.1, 2.2 и 2.3 метеоданных, показаний датчиков, параметров технологического процесса и модули 2.4 передаваемых данных (зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания действия опасных факторов на объекты).

Блок 1 исходных данных содержит модули 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6 параметров опасного оборудования, вариантов разрушения оборудования, параметров датчиков, сценариев аварий и критериев для расчета зон поражения, условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварий и численности людей и мест их расположения, а также характеристик зданий и других ценностей. Расчетный блок 3 математического моделирования сценариев аварии и блок 4 графического интерфейса связан с блоком 5 истории расчетов.

Показания датчиков, поступающие в качестве данных из внешних систем 8 в модуль Показания датчиков 2.2 и далее, служат для выявления аварийной ситуации, например, по превышению пороговой концентрации опасного вещества на датчиках загазованности (датчик загазованности - прибор для определения количественного или качественного состава газовой смеси), по резкому падению давления в емкости, по иным сигналам от датчиков системы противоаварийной защиты.

Способ прогнозирования в реальном времени последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах заключается в мониторинге окружающей обстановки, в процессе которого: актуальные данные из внешних систем 8 о метеоусловиях и состоянии атмосферы - скорости и направлении ветра, температуры и влажности воздуха, стратификации атмосферы и о показаниях датчиков {например, загазованности) поступают в блок 2 обмена данными и передаются в блок 1 исходных данных для дальнейшего учета и анализа, в установлении факта аварийного выброса в атмосферу опасных веществ на основании показаний датчиков {например, загазованности) и по результатам анализа этих показаний в модуле 1.5 условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварии блока 1 исходных данных, в прогнозировании методами физико-математического моделирования (далее - прогнозирования) последствий возникшей аварии с помощью рассчетного блока 3 при выявлении факта аварийного выброса на основании актуальных данных, передаваемых в расчетный блок 3 из блока исходных данных 1, в результате которого вычисляются и в блоке графического интерфейса 4 визуализируются параметры зон поражения на плане местности.

Дополнительно в блок 2 обмена данными поступает информация о параметрах технологического процесса (температура, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании), на основании которой обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле 1.1 параметров опасного оборудования, которые в дальнейшем учитываются при проведении вычислений (прогнозирования) в расчетном блоке 3.

Процесс анализа и идентификации аварийного выброса, опасных веществ в модуле 7.5 условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварий блока 1 исходных данных выполняется с использованием информации, поступающей из модуля 2.2 показаний датчиков о превышении на датчиках значений опасных факторов, в том числе предельно допустимой концентрации, смертельной концентрации, нижнего и верхнего концентрационного предела распространения пламени вещества, а также информации из модуля 2.3 параметров технологического процесса блока 2 обмена данными о превышении допустимых пределов параметров технологического процесса.

Определение условий автоматического запуска моделирования сценария аварии на основе данных модуля 2.2 показаний датчиков может осуществляться не только вручную путем задания условий в модуле 1.5 условий запусков сценариев прогнозирования последствий аварий, но и с помощью нейронной сети, предварительно обученной по результатам физико-математического моделирования аварийных процессов с участием опасных веществ.

В расчетном блоке 3 выполняется определение пространственно-временных характеристик рассеивания смесей опасных веществ с воздухом произвольной плотности, в том числе парокапельных взвесей. В расчетном блоке 3 выполняется оценка последствий для случаев рассеивания токсичных и высокотоксичных веществ, а также для рассеивания и последующего взрыва (или горения) облаков топливно-воздушных смесей, диффузионного горения опасных веществ, физических взрывов, взрывов расширяющихся паров вскипающей жидкости, разлета осколков.

В расчетном блоке 3 выполняется определение параметров зоны поражения по концентрации, пороговой и смертельной токсодозе, давлению и импульсу на фронте волны сжатия, тепловому излучению, по вероятностным критериям поражения и потенциальному риску аварии.

В расчетном блоке 3 также выполняется определение перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, количество потенциально пострадавших в результате аварии людей, определенных с учетом их присутствия на момент аварии, а также эвакуации из места аварии, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей, и материальные ценности, на основе информации модуля 1.6 количество людей и места их расположения и характеристики зданий и других ценностей.

Результаты прогнозирования, передаются во внешние системы 9 через блок 2 обмена данными и модулей 7 связи с внешними системами заинтересованным лицам или службам опционально в виде сообщений о завершении моделирования очередного сценария и результатов прогнозирования аварии в виде параметров зон поражения, данных о числе попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, а также времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности, определяемых в расчетном блоке 3.

Исходная информация от внешних систем 8 о метеоданных, показаниях датчиков опасных факторов, параметрах технологического процесса передается в существующие отдельно от системы прогнозирования модули 7 связи с внешними системами, в которых происходит преобразование информации из ее исходных форматов в единый формат прокола 6 обмена данными и передача преобразованной информации в блок 2 обмена данными, аналогично и исходящая из системы прогнозирования информация передается в модули 7 связи с внешними системами, где она преобразуется в форматы внешних систем и отправляется этим адресатам. С учетом такой компоновки для обеспечения подключения системы прогнозирования к новому источнику данных нет необходимости модифицировать саму систему прогнозирования, достаточно лишь разработать дополнительный модуль 7 для преобразования данных и подключить его к системе прогнозирования штатными средствами.

В системе прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени предусмотрены два режима работы: режим предварительной настройки и режим мониторинга. В первом режиме с помощью блока 4 графического интерфейса пользователь вносит исходные данные для работы системы (параметры опасного оборудования, варианты разрушения оборудования, параметры датчиков, сценарии аварии и критерии для расчета зон поражения, условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий, число людей и места их расположения, характеристики зданий и других ценностей), сохраняемые в блоке 1 исходных данных, а также настраивает подключение к внешним системам 8 и 9 (источникам метеоданных, показаний датчиков опасных факторов, параметров технологического процесса, получателям результатов прогнозирования) блока 2 обмена данными. В режиме мониторинга в блок 2 обмена данными поступает информация об изменяющихся параметрах и передается в блок 1 исходных данных для учета и анализа, а также в блок 4 графического интерфейса для отображения пользователю. Если в результате анализа в блоке 1 исходных данных произошло выполнение условия запуска одного или нескольких сценариев аварии блок 1 исходных данных, запрашивает через блок 4 графического интерфейса подтверждение пользователя на выполнение расчетов, и в случае разрешения пользователя (либо при истечении времени ожидания ответа) передает в расчетный блок 3 необходимую для вычислений информацию и команду на запуск расчета, после выполнения вычислений расчетный блок 3 передает результаты расчета (зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания действия опасных факторов на объекты) в блок 4 графического интерфейса для отображения пользователю, а также в блок 2 обмена данными с целью передачи результатов во внешние системы 9.

Расчетный блок 3 помещает информацию о командах запуска на расчет, результаты вычислений и исходные данные, использованные при этом, в блок 5 истории расчетов, содержимое которого может быть просмотрено в блоке 4 графического интерфейса.

Работа с системой прогнозирования осуществляется по следующим этапам:

1. В режиме предварительной настройки системы прогнозирования посредством блока 4 графического интерфейса пользователем осуществляется задание параметров блока 1 исходных данных: в модуле 1.1 параметров опасного оборудования: создается описание оборудования, содержащего опасные вещества на опасном производственном объекте, и его характеристик, добавляется план местности для дальнейшей визуализации результатов расчетов; в модуле 1.6 определяются места пребывания людей, их численность и время пребывания, маршруты эвакуации, места расположения зданий, сооружений, иных материальных ценностей и их конструктивные характеристики; в модулях 1.2 и 1.4 определяются варианты разрушения оборудования (полное разрушение или появление отверстия разгерметизации) и связанные с ними опасные сценарии аварии; в модулях 1.3 и 1.5 определяется перечень датчиков, их расположение на плане местности и условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий, учитывающие показания датчиков и параметры технологических процессов. Условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий могут быть определены вручную, либо с использованием обученной нейронной сети. Настраивается соединение (используются существующие, либо создаются модули 7 связи с внешними системами и указываются настройки для их работы) с источниками данных о погоде, показаниях датчиков, параметров опасного оборудования, настраивается соединение с приемниками результатов прогнозирования 9 (например, системами оповещения). При необходимости проводится обучение нейронной сети на основе зависимостей концентраций в местах расположения датчиков опасных факторов, полученных из результатов физико-математического моделирования возможных сценариев аварии с использованием расчетного блока 3.

2. Система переводится в режим мониторинга. В процессе работы система получает информацию о метеоусловиях, показаниях датчиков, параметрах опасного оборудования от внешних систем 8, поступающую соответственно в модули 2.1, 2.2 и 2.3. При выполнении заданного в модуле 1.5 условия запуска сценариев прогнозирования последствий аварий (превышение концентрации на одном/группе датчиков или других сигналов) система активирует расчетный блок 3 и передает в него данные о текущих метеоусловиях и параметрах опасного оборудования, полученные из модулей 2.1 и 2.3. В случае одновременного выполнения правил запуска нескольких сценариев прогнозирования последствий аварии система обрабатывает каждый сценарий аварии с использованием технологии параллельных вычислений.

3. Расчетный блок 3 выполняет моделирование сценария прогнозирования последствий аварии и позволяет оценить:

- характеристики зон поражения, зависящие от времени, прошедшего от начала аварии и определенные на основе заданных критериев поражения (по концентрации, пороговой и смертельной токсодозе, избыточному давлению и импульсу волны давления, тепловому излучению, вероятностному смертельному поражению человека);

- перечень мест расположения людей, которые могут подвергнуться воздействию опасных факторов аварии;

- численность людей, потенциально попадающих в зоны поражения, в том числе с учетом их присутствия в момент аварии, а также эвакуации из места аварии;

- степень разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей;

- время начала и окончание воздействия опасных факторов на людей, здания, сооружения и иные материальные ценности.

Расчетный блок 3 позволяет моделировать в динамической постановке сценарии аварии, связанные с поступлением опасных веществ различной плотности в атмосферу, а также учитывает наличие аэрозоля в выбросе.

Физико-математические модели аварийных процессов, реализованные в расчетном блоке 3, и связанные с расчетом поступления опасных веществ в окружающую среду, рассеиванием выбросов в атмосфере, взрывами или горением облаков топливно-воздушных смесей, диффузионным горением, разлетом осколков, физическим взрывом, взрывом расширяющихся паров вскипающей жидкости, оценкой степени разрушения зданий базируются на известных, апробированных методиках [10, 11, 12, 13]. Указанные методики позволяют обеспечить технический результат изобретения в части определения параметров зон поражения и перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, количества потенциально пострадавших в результате аварии людей, определенных с учетом их присутствия на момент аварии, а также эвакуации из места аварии, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей, здания, сооружения и иные материальные ценности.

4. После окончания работы расчетного блока 3: а) результаты передаются в блок 4 графического интерфейса, где они отображаются на плане местности и объединяются в протокол расчета, который сохраняется в блоке 5 истории расчетов; б) система формирует сигнал передачи результатов расчета в модуль 2.4. передаваемых данных (размеры и форма зон поражения, число людей, попавших в зону поражения) в систему оповещения и эвакуации, либо другие внешние системы 9 через модули связи с внешними системами 7.

5. Система переходит к п. 2.

Технический результат при работе предлагаемой системы соответствует перечисленному в разделе «Раскрытие сущности изобретения».

Изобретение может быть осуществлено в виде программно-аппаратного комплекса. Например, программно-аппаратный комплекс TOXI+Прогноз [8, 9], базирующийся на представленном изобретении, интегрируется в существующие системы безопасности ОПО, которые включают в себя систему обнаружения аварийных утечек (датчики, система сбора их показаний), диспетчерскую службу ОПО, автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП), систему оповещения и эвакуации. TOXI+Прогноз содержит аналогичные функциональные блоки и модули, представленные на чертеже (пункты 10-13 формулы). В основе архитектуры TOXI+Прогноз находится СОМ-сервер, который обеспечивает взаимодействие с другими программными и аппаратными средствами и поставщиками данных по универсальному интерфейсу 6 обмена данными. Логику работы с внешними источниками данных выполняют модули 7 связи с внешними системами (СОМ-клиенты, входящие в стандартный набор, либо разработанные специально под требования заказчика), подключение которых осуществляется в TOXI+Прогноз. С помощью таких модулей (пункт 10 формулы) может быть обеспечена работа с широким перечнем внешних систем 8, 9 -источников и получателей данных (базы данных, устройства, поддерживающие ОРС протокол, SCADA-системы, различные типы метеостанций, системы оповещения и т.д.). TOXI+Прогноз имеет расчетный блок 3, позволяющий моделировать рассеивание токсичных и/или взрывопожароопасных веществ, а также взрывы облаков топливно-воздушных смесей (пункт 6 формулы) при возникновении аварии с учетом метеоусловий и параметров опасного оборудования (пункт 1 формулы). Данные о метеоусловиях и параметрах опасного оборудования поступают из внешних систем 8 в модули 7 связи с внешними системами (СОМ-клиенты), которые в свою очередь отправляют полученную информацию по универсальному интерфейсу 6 обмена данными в блок 2 обмена данными, после чего актуализируются сведения блока 1 исходных данных (пункт 11 формулы). Расчетный блок 3 позволяет оперативно (2-3 минуты) моделировать поступление в окружающую среду и рассеивание облаков газов различной плотности, в том числе содержащих аэрозоль (пункт 4 формулы), и определять конфигурацию зон поражения по различным критериям (значениям концентраций, пороговой и смертельной токсодозам, вероятностным критериям, потенциальному риску аварии) (пункт 2 формулы), оценивать число людей потенциально попадающих в эти зоны (пункт 3 формулы). Расчет сценариев прогнозирования последствий аварий может быть инициирован диспетчером вручную, либо автоматически по предварительно заданным условиям запуска путем анализа их выполнения с учетом данных, приходящих из внешних систем от датчиков, автоматизированных систем управления технологическим процессом, систем обнаружения аварийных утечек (пункт 5 формулы). TOXI+Прогноз после моделирования очередного сценария аварии отображает результаты расчетов диспетчеру в блоке 4 визуализации и, используя универсальный интерфейс 6 обмена данными, генерирует событие передачи результатов (размеров зон поражения и числа людей, попавших в зоны поражения) во внешнюю систему 9 оповещения через модули 7 связи с внешними системами (пункт 7 формулы).

Таким образом, с помощью описываемого изобретения обеспечивается преодоление указанных выше недостатков прототипа [4] и других подобных изобретений в частности:

1. путем использования более совершенных физико-математических моделей рассеивания опасных веществ, которые позволят:

- проводить расчеты не только аварийных выбросов «легких» газов, но и выбросов веществ, с плотностью большей плотности воздуха (которые в основном и происходят на ОПО);

- использовать в качестве критерия поражения человека не только критерий ПДК, но и критерии по пороговой и смертельной токсодозе, вероятностному поражению человека, летальной концентрации при распространении токсических выбросов и других критериев поражения в зависимости от типа сценария аварии;

2. путем внедрения дополнительных физико-математических моделей аварийных процессов выполнять расчет зон не только токсического, но и ударно-волнового воздействия, термического поражения при горении и осколочного воздействия;

3. с учетом информации о местах нахождения людей, параметров зданий, сооружений и других материальных ценностей, а также параметров зон поражения могут быть определены места пребывания людей, которые могут попасть в зоны действия опасных факторов, число потенциально пострадавших в результате аварии людей, степень разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, время начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и другие материальные ценности;

4. решить задачу автоматического выявления сценария аварии с использованием технологий машинного обучения (нейронные сети).

5. учесть в расчетах не только актуальные метеоданные, но и параметры опасного оборудования, получаемые из автоматизированной системы управления технологическим процессом до аварии;

6. иметь возможность информировать о результатах прогнозирования не только оператора системы (диспетчера), но автоматизировать его действия по выбору сценария оповещения и передаче результатов прогнозирования в диспетчерские службы МЧС, Ростехнадзора, региональной власти и органов местного самоуправления;

7. иметь возможность интеграции с существующими и новыми источниками метеоданных, показаний датчиков, параметров технологических процессов, системами оповещения без внесения изменений в систему.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, позволит автоматизировать действия диспетчера по идентификации сценария аварии, оперативному прогнозированию его последствий и передаче подробных результатов прогнозирования в вышестоящие инстанции, а также запуска сценария оповещения; обеспечить заинтересованных лиц (диспетчерские службы, подразделения МЧС и др.) подробной и актуальной информацией о масштабах и возможных последствиях выбросов опасных веществ при возникновении аварии; обеспечить возможность интеграции с поставщиками и получателями данных без внесения изменений в систему прогнозирования.

Таким образом, достигается техническая цель описываемого изобретения: расширение арсенала средств автоматизации для повышения эффективности обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и совершенствования системы поддержки принятия решений при аварийной ситуации путем подачи дополнительно в блок обмена данными сигналов о параметрах технологического процесса, включающих температуру, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании, на основании которых обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования в модуле параметров опасного оборудования, которые в свою очередь учитываются при проведении вычислений в расчетном блоке.

Источники информации:

1. Патент RU 2 385 473 С1, МПК G01W 1/00, G01N 35/00, 27.03.2010. -Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.

2. Патент RU 2 271 012 С2, МПК G01N 35/00, 27.02.2006. - Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.

3. Патент RU 2 270 992 С2, МПК G01N 15/06, оп. 27.02.2006. - Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.

4. Патент RU 2 458 350 С1, МПК G01N 35/00, оп. 10.08.2012. - Способ экологического мониторинга химически опасных объектов.

5. Патент KR 101926368 (В1), МПК G06Q 50/10; G08B 21/02, 2018-12-07. - REAL-TIME DAMAGE PREDICTION MONITORING SYSTEM FOR HAZARDOUS CHEMICAL MATERIAL LEAKS. (СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПРОГНОЗА ПОВРЕЖДЕНИЯ ДЛЯ ОПАСНЫХ ХИМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛЬНЫХ УТЕЧЕК В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ).

6. АРМ «Диспетчер». Официальный сайт (http://www.rizikon.ru/structure/page-11.htm). Дата обращения 13.05.2019.

7. Программно-аппаратный комплекс «ТОКСИ+МЕТЕО» для оценки последствий возможных аварий с учетом данных о текущих погодных условиях / Агапов А.А., Хлобыстова И.О., Марухленко С.Л., Марухленко А.Л., Софьин А.С.// Безопасность труда в промышленности. М. - 2011. - №1. - С. 22-25.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019613584 «Программный комплекс TOXI+Прогноз» (https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips servlet?DB=EVM&DocNumber=2019613584&TypeFile=html).

9. Программный комплекс TOXI+Прогноз. Официальный сайт (https://toxi.ru/produkty/programmnyi-kompleks-toxiprognoz) Дата обращения 13.05.2019.

10. Руководство по безопасности «Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ» (утв. приказом Ростехнадзора от 20.04.2015 №158).

11. Руководство по безопасности «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» (утв. приказом Ростехнадзора от 31.03.2016 №137).

12. Руководство по безопасности «Методы обоснования взрывоустойчивости зданий и сооружений при взрывах топливно-воздушных смесей на опасных производственных объектах» (утв. приказом Ростехнадзора от 03.06.2016 №217).

13. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (утв. приказом МЧС от 10.07.2009 г. №404, с изменениями утвержденными приказом МЧС России от 14.12.2010 №649).

Изобретение относится к области информационных систем промышленной безопасности, связанных с автоматизацией действий диспетчерских служб опасных производственных объектов. Технический результат - обеспечение обнаружения и идентификации аварийного оборудования в случае незапланированных выбросов опасных веществ в атмосферу и оптимизация системы поддержки принятия решений в случае аварийной ситуации. Система прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ в режиме реального времени содержит: блок исходных данных, блок обмена данными о метеоусловиях, показаниях датчиков опасных факторов, параметрах технологического процесса, расчетный блок, блок графического интерфейса (визуализации), модули связи с внешними системами, блок истории расчетов. Способ прогнозирования подразумевает использование специальных физико-математических моделей аварийных процессов в расчетном блоке, которые позволяют рассчитывать поступление и рассеивание опасных веществ различной плотности, получать пространственно-временное распределение концентраций опасных веществ в окружающей среде, рассчитывать распределение опасных факторов при диффузионном горении опасных веществ, физических взрывах, взрывах расширяющихся паров вскипающей жидкости, взрывах и горении облаков топливно-воздушных смесей, разлете осколков. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени, заключающийся

в мониторинге окружающей обстановки, в процессе которого: актуальные данные из внешних систем о метеоусловиях и состоянии атмосферы - скорости и направлении ветра, температуре и влажности воздуха, стратификации атмосферы и показания датчиков загазованности поступают в блок обмена данными и передаются в блок исходных данных для дальнейшего учета и анализа,

в установлении факта аварийного выброса в атмосферу опасных веществ на основании показаний датчиков загазованности и по результатам анализа этих показаний в модуле условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварии блока исходных данных,

в прогнозировании методами физико-математического моделирования последствий рассеивания вредных, токсичных и высокотоксичных веществ с помощью расчетного блока при выявлении факта аварийного выброса на основании актуальных данных, передаваемых в расчетный блок из блока исходных данных, в результате которого вычисляются и в блоке графического интерфейса визуализируются параметры зон поражения на плане местности,

отличающийся тем, что

дополнительно в блок обмена данными поступает информация о параметрах технологического процесса, включающих температуру, давление, количество опасных веществ, их фазовое состояние и уровень жидких опасных веществ в оборудовании, причем на основании этой информации в модуле параметров опасного оборудования обновляются сведения о количестве опасных веществ и состоянии опасного оборудования, которые в дальнейшем учитываются при проведении вычислений в расчетном блоке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в расчетном блоке дополнительно к определению размеров зон поражения по концентрации опасных веществ выполняется вычисление параметров зоны поражения по пороговой и смертельной токсодозе, давлению и импульсу на фронте волны сжатия, тепловому излучению, по вероятностным критериям поражения и потенциальному риску аварии.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в расчетном блоке дополнительно выполняется прогнозирование параметров зон поражения и перечня мест пребывания людей, которые попали в зоны поражения, числа потенциально пострадавших в результате аварии людей, определенных с учетом их присутствия на момент аварии в зоне потенциального риска, а также эвакуации из места аварии, степени защиты людей и разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в расчетном блоке выполняется определение пространственно-временных характеристик рассеивания смесей опасных веществ с воздухом различной плотности, в том числе парокапельных взвесей.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что анализ и идентификация аварийного выброса опасных веществ в модуле условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварий блока исходных данных выполняется с использованием информации, поступающей из модуля показаний датчиков блока обмена данными, о превышении на датчиках загазованности значений опасных факторов, в том числе, смертельной концентрации, нижнего и верхнего концентрационного предела распространения пламени,

а также информации из модуля параметров технологического процесса блока обмена данными о превышении допустимых пределов параметров технологического процесса.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в расчетном блоке выполняется оценка развития и последствий для случаев рассеивания и последующего взрыва облаков топливно-воздушных смесей, диффузионного горения опасных веществ, физического взрыва, взрыва расширяющихся паров вскипающей жидкости, разлета осколков.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что результаты прогнозирования передаются во внешние системы заинтересованным лицам или службам опционально в виде сообщений о завершении моделирования очередного сценария и о результатах прогнозирования аварии в виде параметров зон поражения, количества попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, а также времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что определение условий автоматического запуска моделирования сценария аварии на основе показаний датчиков загазованности и параметров технологических процессов может осуществляться вручную путем задания условий в модуле условий запусков сценариев прогнозирования последствий аварий и с помощью нейронной сети, предварительно обученной по результатам физико-математического моделирования аварийных процессов с участием опасных веществ.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что исходная информация от внешних систем: о метеоданных, показаниях датчиков загазованности, параметрах технологического процесса передается в существующие отдельно от системы прогнозирования модули связи с внешними системами, в которых происходит преобразование информации из ее исходных форматов в единый формат интерфейса обмена данными и передача преобразованной информации в блок обмена данными, а также исходящая из системы прогнозирования информация передается в модули связи с внешними системами, где она преобразуется в форматы внешних систем и отправляется этим адресатам.

10. Система прогнозирования последствий аварий с участием опасных веществ на опасных производственных объектах в режиме реального времени, состоящая из блока обмена данными, блока исходных данных, расчетного блока физико-математического моделирования сценариев аварии, блока графического интерфейса визуализации и вывода результатов прогнозирования зон поражения, числа попавших в них людей, степени разрушения зданий, сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности, отличающаяся тем, что блок исходных данных содержит модуль параметров опасного оборудования, подключен к блоку обмена данными и к расчетному блоку математического моделирования сценариев аварии, который выполнен с подключением к блоку обмена данными, причем все указанные блоки подключены к блоку визуализации.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что блок обмена данными дополнительно содержит модули метеоданных, параметров технологического процесса и передаваемых данных в виде размеров и форм зон поражения, количества людей, попавших в зону поражения, степени разрушения зданий и сооружений и иных материальных ценностей, времени начала и окончания воздействия опасных факторов на людей и материальные ценности, при этом блок обмена данными с внешними источниками информации выполнен с возможностью обеспечения работы по универсальному интерфейсу обмена данными без привязки к формату конкретного источника или получателя данных.

12. Система по п. 10, отличающаяся тем, что блок исходных данных содержит модули вариантов разрушения оборудования, параметров датчиков загазованности, сценариев аварий и критериев для расчета зон поражения, условий запуска сценариев прогнозирования последствий аварий, численности людей и мест их расположения, а также характеристик зданий, сооружений и других ценностей.

13. Система по п. 10, отличающаяся тем, что дополнительно включает блок истории расчетов, связанный с расчетным блоком физико-математического моделирования сценариев аварии и блоком графического интерфейса.