Метрологическое обеспечение безопасности сложных технических систем

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ 

ОБЕСПЕЧЕНИЕ 

БЕЗОПАСНОСТИ СЛОЖНЫХ 

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Н.А. СЕВЕРЦЕВ
В.Н. ТЕМНОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва

КУРС

ИНФРА-М

Допущено 

Учебно-методическим объединением вузов 

по университетскому политехническому образованию 

в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению 20.00.00 «Техносферная безопасность 

и природообустройство»

2019

УДК 
006(075.8)

ББК 
32.81я73

 
С28

Северцев Н.А., Темнов В.Н.
Метрологическое обеспечение безопасности сложных техни
ческих систем: Учеб. пособие / Н.А. Северцев, В.Н. Темнов. — 
М.: КУРС : ИНФРА-М, 2019. — 352 с. – DOI 10.12737/3470
(www.doi.org).

ISBN 978-5-905554-54-4 (КУРС, print)
ISBN 978-5-16-009626-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102225-2 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии впервые изложено новое направление в ста
новлении теории безопасности функционирования сложных технических систем — метрологическое обеспечение безопасности. 
Описаны новые методы количественного определения критериев и 
показателей метрологического обеспечения, метрологический анализ систем, информация и целевая ценность параметров состояния 
измерения и наблюдения, влияющих на безопасность работы системы. Представлены методология оценки погрешностей измерения, 
сфера их применения при анализе безопасности системы, а также 
метрологическое обеспечение алгоритмов обработки информации. 
В новой постановке рассмотрены методы, модели и алгоритмы обоснования контролируемых параметров системы с иллюстрацией на 
прикладных примерах. Дано обоснование оптимизационных задач 
метрологического обеспечения безопасности с учетом минимизации 
погрешностей измерения параметров при ограниченных ресурсах и 
минимальной стоимости измерений. Представлены новые методы 
оптимальной совокупности контролируемых параметров динамических объектов контроля и оценка качества метрологического исследования, связанного с обеспечением безопасности применения 
системы по целевому назначению.

Для студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям 

«Безопасность жизнедеятельности», «Защита в чрезвычайных ситуациях». Книга будет полезна руководителям и сотрудникам НИИ, 
НПО, КБ, корпораций, холдингов, связанных с обеспечением безопасности систем.

УДК 006(075.8) 
ББК 32.81я73 

С28

© КУРС, 2015

ISBN 978-5-905554-54-4 (КУРС, print)
ISBN 978-5-16-009626-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102225-2 (ИНФРА-М, online)

Р е ц е н з е н т ы : 

д-р техн. наук, проф. И.В. Переездчиков (МГТУ им. Н.Э. Баумана);

д-р техн. наук, проф. А.В. Ильичев (МАИ при НПОмашиностроения)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ

Безопасность сложных технических систем (СТС) обеспечивается не только конструктивными мероприятиями, предусмотренными при их создании, но и в процессе эксплуатации на основе
информации, получаемой обслуживающим персоналом. Для управления безопасностью должно быть предусмотрено необходимое качество и количество информации. Оно должно быть достаточным
для принятия ответственных решений, устраняющих возможные
опасности или уменьшающих ущерб, в случае их возникновения.
Именно по этой причине в настоящее время все большее внимание
уделяется вопросам метрологического обеспечения (МО).
Представленное учебное пособие посвящено изложению методов решения главных вопросов, возникающих при постановке измерительной задачи. Прежде всего, к ним относится обоснование
выбора контролируемых параметров, необходимых для получения
полного представления о процессах, происходящих в технической
системе, и точности их измерения. Кроме того, для обеспечения
безопасности важно обоснование границ области работоспособности, при нарушении которых возникают опасные ситуации. Предельные и допустимые значения параметров несут основную информацию о безопасности технических систем.
Следует подчеркнуть, что измерения являются важнейшим
инструментом управления безопасностью СТС на базе получения и обработки информации для последующего принятия решений, исключающих опасность во временном интервале функционирования
системы.
Можно
утверждать,
что
эксплуатация
технических систем немыслима без измерения их ключевых параметров, что требует высокой квалификации операторов, строгого выполнения всех требований, обеспечивающих безопасную
работу системы. Игнорирование этих требований приводит к
авариям и катастрофическим последствиям. Данная книга в
большой мере будет способствовать повышению квалификации
студентов, обучающихся по курсу безопасности жизнедеятельно3

сти и исключению чрезвычайных ситуаций при эксплуатации
СТС. В этом контексте хотелось бы отметить методологию изложения учебного пособия и стратегию решения конкретных задач,
которые поставлены в данном труде. Вопервых, МО безопасности систем — это исходный принцип управления при эксплуатации. Классификация параметров системы, вывод критериев и
показателей важности и информативности параметров дают возможность определить область безопасной работоспособности измеряемых элементов и системы в целом. Безусловно, для динамических систем или при динамических режимах работы стоит
проблема наблюдаемости по результатам измерений. Изложено
решение задачи оптимального наблюдения для линейной системы, что педагогически правильно с точки зрения понятия и усвоения материала учащимися. Вообще проблема оптимизации
любых задач является не простой, но очень важной и необходимой.
Среди многих вариантов выбора параметров измерения и их
точности необходимо найти оптимальный, который даст возможность сэкономить ресурсы, затрачиваемые на измерения, и добиться точности измерения при ограниченных ресурсах. Поиск оптимального способа измерения подразумевает решение прямой и обратной задач. Эти задачи изложены просто и доходчиво, с определением минимизации погрешностей измерения при ограниченных
ресурсах и разработкой моделей оптимальной суммарной погрешности совместных измерений. Изложение ведется на относительно
простом, но строгом формализованном доказательстве новых задач
МО безопасности СТС, что особенно актуально для систем ответственного назначения.
В учебном пособии, в первую очередь, нашли отражение вопросы надежности оборудования технических систем и метрологические аспекты ее оценки. Приведены математические модели, позволяющие рассчитать не только показатели надежности,
но и неопределенность полученной оценки, для чего использованы новые методы обработки результатов измерений с учетом международных рекомендаций. Для определения показателей надежности в зависимости от причин, вызывающих ее уменьшение, авторы применяют модели надежности, основанные как на
случайных событиях, так и на стационарных случайных процессах, служащие для обоснования предельных и допустимых
значений параметров.

4

В учебном пособии приведено много примеров, наглядно иллюстрирующих излагаемый материал и позволяющих его усвоить. Оно будет полезно студентам старших курсов и аспирантам,
изучающим технические дисциплины в высших учебных заведениях.

Академик РАН, др физ.мат. наук, профессор

Евтушенко Ю.Г.

Доктор техн. наук

Рябинин И.А.

ВВЕДЕНИЕ

Основой для эффективной эксплуатации СТС, обеспечения
безопасности и управления надежностью ее оборудования становятся информационные технологии, под которыми понимают совокупность средств и способов получения, передачи, обработки и
представления информации о техническом состоянии объекта. Развитие методов технической эксплуатации СТС на базе информационных технологий требует высокого уровня МО средств измерений
(СИ) и прежде всего достоверной исходной информации, на основе которой принимаются решения.
С принятием Федеральных законов «О техническом регулировании» и «Об обеспечении единства измерений» существенно возросло внимание к измерениям, которые являются очень важной
составляющей любой работы. Измерения являются важнейшим
инструментом управления СТС и обеспечения технической безопасности и защиты жизни людей. О масштабах затрат на получение достоверных результатов измерений свидетельствуют следующие цифры: в развитых странах они составляют 9…12 % ВВП, в
России — в три раза меньше. Подсчитано, что при увеличении объема промышленной продукции в два раза число СИ может вырасти
в четыре раза. В 1985 г. на мировом рынке было продано датчиков
на сумму около 1,2 млрд дол., в 2002 г. — на 35,9 млрд дол., т.е. на
сумму почти в 30 раз большую.
Другой важнейшей стороной измерений являются требования к
ним. Какие физические величины и с какой точностью следует измерять — это основные вопросы, требующие ответа при подготовке
измерений. Анализ метрологических экспертиз проектов СТС показывает, что в большинстве случаев отсутствуют обоснования требований к выбору контролируемых параметров и обобщенных показателей, необходимой точности их измерений, назначению предельных значений параметров, превышение которых приводит к
необратимым последствиям, и метрологическая аттестация алгоритмов переработки информации.

6

В научном эксперименте, на производстве или при эксплуатации технических систем для того, чтобы выполнить измерения,
прежде всего необходимо сформулировать измерительную задачу,
решение которой позволяет ответить на следующие вопросы.
Вопервых, определить, что измерять, т.е. с помощью математической модели описать, что представляет собой объект измерения,
какими физическими величинами он характеризуется и какие
обобщенные показатели позволяют судить об эффективности и
безопасности его функционирования. Вовторых, с какой точностью следует измерять показатели для получения необходимого эффекта при управлении техническими средствами. Втретьих, какие
СИ следует выбрать для получения оптимального результата при
разработке измерительных информационных технологий: обеспечение максимально возможной точности либо минимальной стоимости информационноизмерительной системы (ИИС), либо удовлетворение требований по ограничению различных ресурсов (надежности, массы или габаритов системы).
В измерительных информационных технологиях широко используют алгоритмы обработки исходной информации, позволяющие прогнозировать, экстраполировать, обрабатывать статистическую информацию, оценивать обобщенные показатели и др. Метрологическая аттестация алгоритмов носит обязательный характер.
В противном случае использование алгоритмов не только не способствует повышению эффективности информационной технологии, но и может привести к ошибочным решениям.
Обоснование требований к измерениям непосредственно связано с повышением культуры эксплуатации и производства оборудования СТС. Увеличение эффективности управления объектами и
безопасности людей и окружающей среды во многом зависит от
требований, предъявляемых к измерениям, и наоборот, низкая
культура эксплуатации и производства приводит к авариям и катастрофам, яркими примерами которых являются катастрофы на
Чернобыльской АЭС и СаяноШушенской ГЭС.
Учебное пособие посвящено метрологическому аспекту обеспечения безопасности и эффективной эксплуатации СТС как объекта, для которого ущерб, возникающий при аварии, носит огромный
и даже катастрофический характер. Оно может быть полезно студентам старших курсов высшей школы, аспирантам, научным работникам и сотрудникам организаций, проектирующим СТС.

1. СЛОЖНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
КАК ОБЪЕКТ БЕЗОПАСНОСТИ И ИЗМЕРЕНИЯ

1.1. ИСХОДНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ
В СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

В настоящее время внимание к безопасности СТС обусловлено
техногенными авариями и катастрофами, число которых возрастает
в связи с быстрыми темпами развития машиностроения, массовым
производством техники различного назначения, стремительным
ростом сложности машин, приборов и оборудования, насыщения
ими сферы эксплуатации и технического обслуживания. Безопасность СТС стала важнейшей проблемой дальнейшего продвижения
по пути научнотехнического прогресса, развития экономики всех
промышленно развитых стран.
Угрозы безопасности появляются в условиях эксплуатации или
прогнозируются по результатам испытаний. Основным методом их
выявления является измерение, поэтому МО безопасности — важнейшее условие своевременного и правильного обнаружения потенциальных угроз и предотвращения ущерба.
В настоящее время теория безопасности находится на этапе становления, поэтому целесообразно остановиться на ее основных терминах и определениях, применяемых в данном учебном пособии.
Под безопасностью понимают свойство объекта, определяющее
его защищенность от наступления неблагоприятного события, приводящего к существенным потерям или большой величине ущерба.
При недостаточной обеспеченности этого свойства может произойти авария, сопровождающаяся поломкой техники и катастрофой с
гибелью людей. К основным показателям безопасности относятся:

стоимость ущерба С;
вероятность безопасности Р;
вероятность опасности Q = 1 – Р;
период безопасности T.
8

Ущерб — количественная характеристика потерь, которые возникают при неблагоприятном событии. Можно для любых событий
установить размер ущерба, затем по нему классифицировать их как
благоприятные и неблагоприятные. Чем меньше ущерб, тем безопаснее. Неблагоприятные события определяют по критическому
ущербу. Критический ущерб — это субъективный параметр, по которому определяют характеристику события. Если ущерб от события
выше критического, то оно характеризуется как неблагоприятное.
При относительных единицах измерения критический ущерб — это
единица измерения ущерба.
Вероятность безопасности — это вероятность того, что неблагоприятное событие не наступит. Для большого числа расчетов вместо вероятности безопасности удобнее использовать вероятность
опасности. Вероятность опасности — это вероятность того, что неблагоприятное событие наступит. Очевидно, что эти вероятности
связаны с надежностью объекта. Чем выше надежность объекта,
тем он менее опасен.
Период безопасности — количественная характеристика временного интервала между двумя неблагоприятными событиями.
Стоимость ущерба и период безопасности являются случайными величинами, имеющими единицы изменения. Эти показатели
находят путем обработки статистических данных. Вероятность безопасности — безразмерная величина, которая не может быть оценена по результатам обработки статистики, ее определяют методами теории надежности. Вероятность безопасности, очевидно, объединена с периодом безопасности: чем больше вероятность, тем
больше период.
Безопасность связана с надежностью и живучестью. Так же как
и надежность, она зависит от времени, как и живучесть существенно зависит от размещения оборудования. Но в отличие от них проявляется, когда система в процессе эксплуатации может принести
ущерб «большого» масштаба.
При наличии угроз безопасности может произойти авария, сопровождающаяся происшествиями с техникой, или катастрофа,
связанная с гибелью людей.
Центральным понятием теории безопасности является опасное
состояние, которое возникает при резком увеличении вероятности
аварии или катастрофы в результате угроз, носящих случайный или
целенаправленный характер. Поэтому говорят, что безопасность —
это способность сложной системы функционировать, не переходя в
опасное состояние. Опасность, как способность системы переходить в опасное состояние, носит потенциальный характер. Она

9

возникает как следствие многих причин, совпавших по времени
появления.
Аварийный
процесс
развивается
под
воздействием
энергии, запасенной в объекте в течение нормального технологического процесса. В качестве примеров в технологических процессах
сложных систем можно отметить кинетическую энергию вращающихся с большой скоростью узлов агрегатов, энергию буровых вышек, электрическую энергию емкостных и индуктивных элементов
электросетей и др.
Количественная оценка опасности характеризуется риском. Формально риск определяют по частоте появления того или иного ущерба или по вероятности реализации опасности, если величина ущерба
при наступлении неблагоприятного события не имеет значения.
Первопричиной появления опасности является возникновение редкого, неожиданного события, в результате которого система быстро переходит в опасное состояние — инициирующего события. Однако его
появление еще не приводит к потере безопасности. Ему должно предшествовать накопление дополнительных причин, создание определенных условий, которые необходимы для развития дальнейших событий,
приводящих к наступлению аварии или катастрофы. Подобные условия,
называемые инициирующими условиями, появляются в результате какихлибо дефектов, отказов оборудования, отклонений от номинальных
процедур ведения процесса или внешнего воздействия на систему. Сами
по себе инициирующие условия еще не представляют угрозы, но при
возникновении инициирующего события они играют решающую роль.
Инициирующие условия можно разделить на первичные и вторичные. К первичным относятся условия, связанные с конструкцией
технических средств СТС, выполнением опасных работ и обслуживающим персоналом (человеческий фактор). Вторичные появляются
с развитием и усугублением аварии, следствиями которой являются
выход из строя или повреждения технических средств, ограничения
по их использованию и неправильные действия операторов при борьбе за живучесть изза стрессовой ситуации или недостатка времени.
Инициирующие условия могут создаваться на всех стадиях жизненного цикла СТС: при функционировании, техническом обслуживании и ремонте, а также во время длительного хранения.
Возникновение инициирующих событий и условий приводит к
появлению опасной ситуации, которая характеризуется их совокупностью в определенный момент времени. Развитие ситуации во
времени при благоприятных условиях (правильных действиях операторов, восстановлении работоспособности технических средств)
может уменьшить опасность или, наоборот, при неблагоприятных
условиях усугубить развитие аварии.

10