Программные продукты и системы

Одним из основных алгоритмов, обеспечивающих работу системы поддержки принятия решений при ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС), является алгоритм оперативного управления силами и средствами ликвидации последствий ЧС.

Масштабы последствий ЧС зависят от размеров опасной зоны загрязнения (ОЗЗ) [1], образующейся при распространении облака зараженного воздуха (ОЗВ), поэтому цель функционирования алгоритма оперативного управления – минимизация пространственных границ проявления поражающего действия ОЗЗ.

Рассмотрим процесс образования ОЗЗ при взрывном разрушении оболочки как объект управления.

При взрывном разрушении оболочки аппаратуры (емкостей, реакционных аппаратов) происходит взрывной перевод всей массы токсичных химических веществ (ТХВ) или ее части в аэрозольное состояние с последующим осаждением части вещества на поверхности и постепенным испарением с нее. Оставшаяся часть ТХВ при полном разрушении оболочки прольется на землю или в поддон. Таким образом, при взрывном разрушении оболочки может образоваться ОЗВ в результате мгновенного выброса ТХВ в атмосферу, испарения жидких частиц аэрозолей ТХВ с поверхности осаждения и испарения ТХВ с зеркала пролива.

Структурная схема процесса образования ОЗЗ при взрывном разрушении оболочки как объекта управления приведена на рисунке 1.

Итоговая ОЗЗ представляет собой результат взаимодействия следующих процессов (рис. 1):

1)   мгновенного выброса паров ТХВ в атмосферу (блок 2 – блок 4 – блок 10);

2)   испарения ТХВ с поверхности осаждения жидких частиц и капель (блок 3 – блок 5 – блок 8 – блок 11);

3)   испарения ТХВ с поверхности его пролива (блок 6 – блок 7 – блок 9 – блок 12).

Как следует из приведенной структурной схемы, при взрывном разрушении оболочки (блок 1) происходит выброс всей MV или части массы ТХВ (αME, 0£α£1) (блок 2). Это приводит к образованию пароаэрозольного облака (блок 2), часть которого Kd2Mv сконденсируется и осядет на поверхность земли (блок 3), а часть будет распространяться в виде пара и тонкодисперсного и высокодисперсного аэрозолей, образуя первичное ОЗВ (блок 4) с концентрацией C1(x, t) в точке x=(x1, x2, x3)T в момент t. Осевшие капли и аэрозоли ТХВ из пароаэрозольного облака (блок 5) и оставшаяся часть ТХВ, не перешедшая в первичное облако (1-α)ME (блок 6), будут испаряться (блоки 5, 7), образуя вторичные ОЗВ с концентрацией COC(x, t) (блок 8) и Cпр(x, t) (блок 9).

Первичное и вторичные ОЗВ, перемещаясь в направлении движения атмосферного воздуха, образуют опасные зоны загрязнения (блоки 10, 11, 12) площадью S1(x1, x2, x3h, t), SOC(x1, x2, x3h, t) и Sпр(x1, x2, x3h, t) соответственно. Результирующая ОЗЗ представляет собой просуммированные по координатам x1, x2 ОЗЗ1, ОЗЗ2 и ОЗЗ3 – ОЗЗ площадью SS(x1, x2, x3h, t).

На рисунке 1 используются следующие обозначения:

ME – масса ТХВ в емкости; α – доля ТХВ, переводимого в первичное пароаэрозольное облако; Kd2 – доля ТХВ, переводимого в первичное пароаэрозольное облако в виде грубодисперсного аэрозоля и аэровзвесей; M1 – масса ТХВ в первичном ОЗВ, M1=α(1-Kd2)ME; D0 – начальная плотность заражения ТХВ поверхности выседания; SOC – площадь поверхности осаждения; Sпр – площадь пролива ТХВ; q1 – производительность начального источника химического загрязнения с поверхности пролива; q2 – производительность начального источника химического загрязнения с поверхности осаждения; Cпр(x, t) – концентрация паров ТХВ в ОЗВ от испарения с поверхности пролива в точке x=(x1, x2, x3)T в момент t; COC(x, t) – концентрация паров ТХВ в ОЗВ от испарения с поверхности осаждения в точке x=(x1, x2, x3)T в момент t; C1(x, t) – концентрация паров ТХВ в первичном ОЗВ от выброса пароаэрозольного облака при взрыве в точке x=(x1, x2, x3)T в момент t; U2(SOC), U3(Sпр) – управляющие воздействия, направленные на уменьшение производительности начального источника химического загрязнения; U1(M1), U4(q2), U5(q1) – управляющие воздействия, направленные на обеднение ОЗВ; S1(x1, x2, x3h, t) – площадь ОЗЗ1 с концентрацией паров ТХВ CСОБ на огибающей линии на высоте дыхания (x3=x3h=1,5 м) в момент t от распространения первичного ОЗВ; SOC(x1, x2, x3h, t) – площадь ОЗЗ2 с концентрацией паров ТХВ CСОБ на огибающей линии на высоте дыхания (x3=x3h=1,5 м) в момент t от распространения ОЗВ, образовавшегося при испарении с поверхности осаждения; Sпр(x1, x2, x3h, t) – площадь ОЗЗ3 с концентрацией паров ТХВ CСОБ на огибающей линии на высоте дыхания (x3=x3h=1,5 м) в момент t от распространения ОЗВ, образовавшегося при испарении с поверхности пролива; SS(x1, x2, x3h, t) – площадь результирующей ОЗЗ с концентрацией паров ТХВ CCОБ на огибающей линии на высоте дыхания (x3=x3h= =1,5 м) в момент t.

Для управления процессами образования и распространения ОЗЗ необходимы применение защитных экранирующих покрытий (сорбенты, защитные пенные экраны, дегазаторы) и эва- куация ТХВ из очага пролива для уменьшения производительности q1, q2 начального источника химического загрязнения U2(SOC) и U3(Sпр), а также постановка жидкостных завес на пути распространения ОЗВ на границе СЗЗ с целью его обеднения (снижения концентрации ТХВ в ОЗВ) в зависимости от массы ТХВ M1 в первичном ОЗВ – U1(M1), производительности поверхности осаждения – U4(q2) и производительности зеркала пролива Sпр – U5(q1).

Поскольку результирующая ОЗЗ представляет собой объединение множеств S1, SOC и Sпр, критерий оптимальности управления запишется в виде

  (1)

при ограничениях:

;                             (2)

;                                              (3)

;                                                         (4)

;                                                    (5)

;                                                         (6)

                                             (7)

и связях

;                       (8)

;               (9)

;                  (10)

;                                  (11)

;                              (12)

;                                      (13)

;                                                (14)

,                                               (15)

где СS(x1, x2, x3h, x30, t) – значение результирующей концентрации паров ТХВ на множестве точек плоскости x3=x3h=1,5 м;  – момент, в который на высоте слоя дыхания впервые фиксируется значение концентрации ТХВ, превышающее величину нормативного показателя CСОБ в результирующей ОЗЗ;  – время, после которого результирующая ОЗЗ не существует, то есть полностью размывается.

В соответствии с вышеизложенным общую задачу управления (1)–(15) можно рассматривать состоящей из трех частных задач минимизации ОЗЗ, образующейся:

-    при мгновенном выбросе паров ТХВ в атмосферу;

-    от испарения с поверхности осаждения жидких частиц и капель ТХВ;

-    от испарения ТХВ с поверхности пролива.

Поскольку масштабы последствий аварий зависят от размеров ОЗЗ, образующейся при распространении ОЗВ, задача оперативного управления состоит в минимизации пространственных границ проявления поражающего действия ОЗЗ.

Если по результатам прогнозирования аварийная ситуация не приводит к возникновению ЧС, задачей оперативного управления является локализация начального источника химического загрязнения.

Если по результатам прогнозирования возможно возникновение ЧС, наряду с локализацией источника загрязнения осуществляется обеднение ОЗВ постановкой на пути его распространения водной завесы [2].

Блок-схема алгоритма оперативного управления при взрывном разрушении оболочки (емкости) приведена на рисунке 2.

При возникновении аварийной ситуации (например, при взрывном разрушении оболочки) оператором АРМ поддержки принятия решений ЧС осуществляется запуск алгоритма (блок На- чало) и вводятся данные по аварии (блок 1) и метеорологические данные (блок 2). По полученной информации из блоков 1, 2 и данных из БД (блок 3) производится расчет момента принудительного прекращения эмиссии с поверхности осаждения  по алгоритму локализации начального источника химического загрязнения поверхности осаждения части капель ТХВ полным составом (алгоритм 2) (блок 4) и с поверхности пролива  по алгоритму локализации участка пролива ТХВ (алгоритм 1) (блок 5).

Прогнозирование возможности возникновения ЧС (выход ОЗЗ за пределы СЗЗ) осуществляется путем расчета максимальной концентрации паров ТХВ (х,t) в ОЗЗ на границе СЗЗ при x=(x1C3, 0, x3h)T в момент /u1 (блок 9) по величине максимальной концентрации паров ТХВ в ОЗЗ от мгновенного выброса ТХВ , рассчитываемой в момент  (блок 6), концентрации паров ТХВ в ОЗЗ от испарения ТХВ с поверхности осаждения CОCC3, рассчитываемой в момент  (блок 7), и концентрации паров ТХВ в ОЗЗ от испарения ТХВ с поверхности пролива CпрC3, рассчитываемой в момент  (блок 8).

Рассчитанная суммарная концентрация паров ТХВ на границе СЗЗ  (блок 9) сравнивается с величиной нормативного показателя стандарта относительной безопасности (СОБ) – CСОБ (блок 10).

Если величина CСОБ («ДА»), то ОЗЗ не выйдет за пределы СЗЗ и на объекте уничтожения химического оружия (УХО) проводятся мероприятия по локализации начальных источников химического загрязнения (блок 9).

Если  CСОБ («НЕТ»), то ОЗЗ выйдет за пределы СЗЗ (ЧС) и необходим прогноз мероприятий по минимизации ОЗЗ.

В этом случае рассматриваемым алгоритмом предусматривается следующее.

Осуществляются мероприятия по локализации начальных источников химического загрязнения.

Поскольку для минимизации ОЗЗ необходимо снижение концентрации паров ТХВ в ОЗВ установкой водной завесы на пути его перемещения, требуется определить интенсивность водной завесы, координаты места ее постановки, а также необходимые технические средства (ТС) и момент прибытия их на место постановки завесы.

Водную завесу целесообразно устанавливать на территории объекта УХО вблизи границы СЗЗ. В этом случае необходимо определить возможность ее постановки до выхода ОЗЗ за пределы СЗЗ, то есть вычислить время подхода результирующей ОЗЗ к границе СЗЗ , которое должно быть больше времени выдвижения ТС на место установки завесы. Для этого производится расчет времени подхода ОЗЗ от мгновенного выброса паров ТХВ к границе СЗЗ  (блок 14), от испарения с поверхности осаждения  при td= (блок 15) и от испарения с поверхности пролива  при  (блок 16). По рассчитанным  и  определяется время подхода результирующей ОЗЗ к границе СЗЗ как минимальное из ,  и  (блок 17), которое сравнивается со временем  (блок 18), необходимым для развертывания ТС на месте их установки (блок 19).

Если > («НЕТ»), водную завесу можно ставить вблизи границы СЗЗ в точке с координатой x1C3 – точке пересечения линии границы СЗЗ с осью x1.

Параметры устанавливаемой водной завесы – интенсивность, время начала и продолжительность, а также необходимые ТС и момент их прибытия – определяются следующим образом.

Рассчитывается максимальная концентрация паров ТХВ в результирующей ОЗЗ (x, t) при х=(х1сз, 0, х3h)Т, =x1сз/u1 (блок 20), по величине которой определяются оптимальное управляющее воздействие fв(t) (блок 21) и оптимальная интенсивность водной завесы IОПТ (блок 22) при рассчитанной продолжительности tв (блок 23) при  (время прекращения существования результирующей ОЗЗ на границе СЗЗ) (блок 17);  – это максимальное время существования результирующей ОЗЗ, определяемое сравнением времени существования ОЗЗ от рассчитанного мгновенного выброса  (блок 14), от испарения с поверхности осаждения , рассчитываемого при  (блок 15), и от испарения с поверхности пролива  при  (блок 16). По полученным ,  и  определяется время прекращения существования результирующей ОЗЗ на границе СЗЗ  как максимальное из ,  и  (блок 17).

Расчет потребности в ТС для постановки водной завесы производится в зависимости от интенсивности IОПТ и ширины фронта ШФ завесы, рассчитываемой (блок 24) исходя из производительности единицы ТС по формуле (блок 25):

,                                               (16)

где П – производительность ТС.

Если  («ДА»), то водная завеса может быть поставлена только за пределами СЗЗ, координата установки которой xв1 определяется по формуле  (блок 26).

Максимальная концентрация паров ТХВ  в точке установки водной завесы x1в рассчитывается при (блок 27), по ее величине рассчитываются оптимальное управляющее воздействие fв(t) (блок 21) и оптимальная интенсивность водной завесы IОПТ (блок 22). Время начала  и окончания  постановки водной завесы (блок 28) определяется аналогично его определению в блоках 14–17, а продолжительность ее постановки tв для определения IОПТ рассчитывается по формуле  (блок 23).

Момент начала постановки водной завесы , момент прекращения .

Время прибытия ТС для установки водной завесы в СЗЗ  рассчитывается по формуле  (блок 19), за пределами СЗЗ (населенные места)  – по формуле  (блок 29).

По рассчитанным nTC (блок 25), xв1 (блок 26),  (блок 19) и  (блок 29) формируется задание на постановку водной завесы (блок 30), содержащее следующие данные:

−    оптимальная интенсивность IОПТ;

-    минимальная ширина по фронту ОЗЗ ШФ;

-    координата места установки xв1 (на плане объекта УХО и карте местности);

-    необходимые ТС nTC;

-    момент прибытия ТС tTC;

-    момент начала постановки водной заве- сы ;

-    продолжительность постановки tв.

Алгоритм оперативного управления реализован в виде программного модуля на языке Object Pascal в инструментальной среде Delphi 5.0 в составе программно-технического комплекса поддержки принятия решений.

Разработанный алгоритм оперативного управления реализован на объекте хранения и уничтожения химического оружия «Горный» (Саратовская область).

Литература

1.   Методика прогнозирования развития и последствий аварийных ситуаций на объектах уничтожения химического оружия. ОКР. Шифр «Система» (первая редакция). М.: ФГУП ГосНИИОХТ, 2001. 123 с.

2.   Разработка и обоснование перечня мероприятий, осуществляемых при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, применительно к возможным сценариям их развития / Промежуточный отчет по НИР «Конда»: Этап 2. Редкино: ОАО «РОКБА», 2001. 142 с.