Безопасность технических систем. Методологические аспекты теории, методы анализа и управления безопасностью

 
 

 

 

 
 
 

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт  
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
В. П. Гаенко, В. Е. Костюков, В. Н. Фомченко  
 
 
 
 
БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕОРИИ,  
МЕТОДЫ АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2020 

 
 

 

 

 
 
 

УДК 62.004 
ББК 30 
        Г13 
 
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Г. А. Новиков 
(заместитель генерального директора по научно-методической работе, Аварийно-технический центр Росатома, Санкт-Петербург); д-р техн. наук, профессор Ю. А. Подкорытов 
(главный научный сотрудник, 12 ЦНИИ Минобороны России) 
 
Гаенко, В. П., Костюков, В. Е., Фомченко В. Н. 
Безопасность технических систем. Методологические аспекты теории, 
методы анализа и управления безопасностью: Монография. Саров: РФЯЦВНИИЭФ, 2020. – 329 с.  
 
ISBN  978-5-9515-0452-4 
 
Рассмотрены концептуальные и методологические аспекты теории безопасности технических систем. Раскрыты основные положения концепции устойчивого 
развития общества и приемлемого риска; исходя из данных концепций изложены 
вопросы выбора показателей и критериев безопасности организационнотехнических систем. Изложены основные понятия и определения теории безопасности технических систем, принципы и подходы, определяющие процессы принятия решений в данной области, модели, методы, а также инструменты их поддержки при комплексной оценке и задании требований по безопасности. 
Изложены основы управления, анализа и оценки рисков, вероятностные методы исследования состояний технических систем: марковские модели и графовые аналитические методы анализа безопасности технических систем, логиковероятностный метод системного анализа. Рассмотрены теоретико-вероятностные 
основы оценки возникновения природно-техногенных аварий и катастроф.  
Работа содержит примеры постановок и решений прикладных задач по проблематике безопасности. 
Для руководителей, специалистов, студентов и аспирантов, занимающихся 
оценкой, обоснованием и подтверждением безопасности систем разного типа 
(технических, организационных, экологических и др.) на всех этапах их жизненного цикла. 
 
УДК 62.004 
ББК 30 
 
 
 
 
 
ISBN  978-5-9515-0452-4                                               ©   ФГУП  «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2020 
 

Содержание 
 
Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    7 
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  10 
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  14 

Часть 1. Методологические аспекты теории безопасности технических 
систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
20 
1. Основные понятия и исходные положения теории безопасности систем.  
    Общее представление об основных проблемах, объекте и предмете теории 
    безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

 
 
20 
1.1. Основные понятия теории безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  20 
1.2. Таксономия аварий и катастроф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  32 
1.3. Некоторые общие проблемы, связанные с обеспечением безопасности 
       сложных энергонасыщенных систем. Определение объекта 
       и предмета исследования теории безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

 
 
42 
2. Основополагающие концепции обеспечения безопасности и управления  
    рисками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
47 
2.1. Концепция устойчивого развития общества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  47 
2.2. Концепция приемлемого риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  52 
2.2.1. Определение и философия риска. Соотношение риска и неопределен- 
          ности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
52 
2.2.2. Классификация рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56 
2.2.3. Основные положения концепции приемлемого риска . . . . . . . . . . . . . .  61 
2.2.4. Концепция уровней полноты безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
67 
3. Показатели и критерии безопасности систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  69 
3.1. Общие показатели и критерии безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  69 
3.2. Система частных показателей и критериев безопасности . . . . . . . .  76 
4. Основы методологии обоснования требований по безопасности 
    технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
81 
4.1. Общие положения методологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  81 
4.1.1. Система общих законов развития систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
81 
4.1.2. Некоторые закономерности развития технических систем . . . . . . . . . .  83 
4.1.3. Сущность научного метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  86 
4.1.4. Аспекты научного обоснования эффективности и безопасности 
          технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
88 
4.1.5. Фундаментальная система факторов, определяющих качество 
          и безопасность системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
89 
4.2. Системотехнический анализ развития системы. Цели разработки,  
       жизненный цикл технической системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
91 
4.3. Модель функционирования  технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . .  97 

4.3.1. Подход к обоснованию представительного уровня макросистемы 
          для решения задачи обоснования требований безопасности  
          и эффективности технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

 
 
97 
4.3.2. Содержание задачи принятия решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
98 
Природа и основные атрибуты задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  98 
Альтернативы (предъявления). Вектор оптимизируемых характеристик  
объекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
100 
Определение и формальное представление системы объектов и про- 
граммы ее развития . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
100 
Факторы окружающей (внешней) среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  102 
4.4. Выбор и обоснование критериев принятия оптимальных решений . . .  104 
4.4.1. Статическая модель принятия оптимальных решений . . . . . . . . . . . . . .  104 
4.4.2. Принципы и методы принятия оптимальных решений . . . . . . . . . . . . .  106 
4.4.3. Особенности принятия оптимальных решений в условиях задания 
          состояний среды нечеткими числами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
114 
4.4.4. Методологические подходы преодоления неопределенности цели . . . . . .  118 
4.5. Основные методические принципы и подходы оценки и обоснования  
       требований безопасности и предельных уровней антропогенного  
       воздействия со стороны потенциально опасного объекта на окру- 
       жающую среду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

 
 
 
122 
4.6. Основы моделирования безопасности технических систем . . . . . . . .  124 
4.6.1. Исходные положения модели объекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  124 
4.6.2. Основные концептуальные подходы обеспечения безопасности . . . . . .  125 
4.7. Примеры решения практических задач безопасности и применения  
       моделей принятия решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
127 
4.7.1. Примеры практического применения статических моделей принятия 
          решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
127 
4.7.2. Постановка задачи и структура методического аппарата обоснования 
           требований к базовым характеристикам систем безопасности потен- 
          циально опасных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

 
 
132 
Введение в проблему . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 
Общая постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  133 
Структура методического подхода и принципы обоснования требований 
к облику системы безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
136 

Часть 2. Методы анализа и управления безопасностью . . . . . . . . . . . . . .  143 
5. Основы анализа и оценки риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143 
5.1. Принципы и подходы к оценке рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143 
5.1.1.Методологические принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143 
5.1.2.Методические принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  144 
5.1.3.Операциональные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  145 
5.2. Основы формализации при анализе и синтезе оценок риска . . . . . . . . . 146 
5.3. Общие положения, основные элементы и содержание процедур ана- 
       лиза и оценки риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
148 
5.3.1. Анализ риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  148 

5.3.2. Оценка риска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 
Формализованные методы оценки рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  153 
Субъективные методы оценки рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  155 
6. Основы управления безопасностью и рисками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  160 
6.1. Управление и регулирование безопасностью и рисками. Основные  
       понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
160 
6.2. Цели, задачи и принципы управления безопасностью и рисками . . . . .  161 
6.3. Структура и содержание системы управления риском . . . . . . . . . . .  166 
7. Вероятностные модели исследования состояний технических систем . . .  169 
7.1. Способы описания и методы анализа свойств безопасности техни- 
       ческих систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
169 
7.2. Марковские модели анализа безопасности (рисков) технических  
       систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
186 
7.2.1. Дискретные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  186 
7.2.2. Непрерывные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  191 
7.3. Графовые аналитические методы анализа безопасности (рисков)  
       технических систем на основе построения «дерева отказов»  
       и «дерева событий» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

 
 
193 
7.3.1. Метод анализа технических систем на основе построения 
«дерева отказов» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
193 
7.3.2. Метод анализа технических систем на основе построения 
«дерева событий» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
199 
7.4. Логико-вероятностный метод анализа структурно-сложных  
       систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
203 
7.4.1. Общая характеристика метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  203 
7.4.2. Первичное структурно-логическое моделирование . . . . . . . . . . . . . . . .  207 
7.4.3. Методы построения логических моделей систем . . . . . . . . . . . . . . . . . .  214 
7.4.4. Методы построения вероятностных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  225 
7.5. Логико-вероятностное моделирование групповых взрывов  
       боеприпасов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
236 
7.5.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 
7.5.2. Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  239 
7.6. Вероятностные оценки возможности сохранения фрагментов  
           торпед с невзорвавшимися боевыми зарядными отделениями . . . . . .  
 
240 
7.6.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  240 
7.6.2. Результаты анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  244 
8. Теоретико-вероятностные основы оценки возникновения природно-тех- 
    ногенных аварий и катастроф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
245 
8.1. Математические модели редких событий. Распределение природ- 
       но-техногенных ЧС во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
245 
8.2. Методы расчета производных общесистемных вероятностных  
       показателей (характеристик) технических систем . . . . . . . . . . . . . .  
 
252 

8.3. Характеристики (показатели) влияния элементов на системные  
       свойства технических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
262 
8.4. Статистика катастрофических событий. Распределения с тяже- 
       лыми хвостами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
269 
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  271 
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  275 
Приложение 1. Словарь терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  283 
Приложение 2. Метод анализа иерархий и его применение для оценки  
качества и безопасности систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
295 
Приложение 3. Основные законы алгебры логики и их событийно-вероятностная интерпретация в логико-вероятностном исчислении . . . . . . . . . . . .  
 
307 
Приложение 4. Примерный перечень внешних природных и техногенных 
воздействий (событий) для анализа рисков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
318 
Приложение 5. Краткая характеристика методов качественного и эвристического анализа и выявления опасностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
325 
 

Список сокращений 
 
АЗ 
– аварийная защита 
АУ 
– анализ уязвимости 
АПК 
– атомный подводный крейсер 
АС 
– аварийная ситуация 
АСЛМ 
– автоматизированное структурно-логическое моделирование 
АТПДЗ 
– антитеррористическая и противодиверсионная защита 
АЭС 
– атомная электростанция 
БЗО 
– боевое зарядное отделение 
БП 
– боеприпасы 
БС 
– барабан-сепаратор 
БСТС 
– большая сложная техническая система 
ВВ 
– взрывчатые вещества 
ВВП 
– валовой внутренний продукт 
ВВТ 
– вооружение и военная техника 
ВФ 
– вероятностная функция 
ГВБ 
– групповая взрывобезопасность 
ГНС 
– группа несовместных событий 
ГСС 
– гарантийный срок службы 
ГЦН 
– главный циркуляционный насос 
ДНФ 
– дизъюнктивно нормальная форма 
ДТГ 
– диверсионно-террористическая группа 
ДТП 
– дорожно-транспортное происшествие 
ЖЦ 
– жизненный цикл 
ИС 
– информационная ситуация 
ИСБ 
– интегрированная система безопасности 
КБО 
– кратность безопасных отказов 
КЕО 
– критерий единичного отказа 
ККБО 
– критерий кратности безопасных отказов 
КЛО 
– кратность локализируемых отказов 
КНФ 
– конъюнктивно нормальная форма 
КПОФ 
– кратчайший путь опасного функционирования 
КПУФ 
– кратчайший путь успешного функционирования 
ЛВМ 
– логико-вероятностный метод 
ЛКФ 
– логический критерий функционирования 
ЛПА 
– ликвидация последствий аварии 
ЛПР 
– лицо, принимающее решение 
ЛФС 
– логическая функция системы 
МАИ 
– метод анализа иерархий 

МО 
– математическое ожидание 
МСО 
– минимальное сечение отказа 
МСПО 
– минимальное сечение предотвращения опасности 
ОДНФ 
– ортогональная дизъюнктивно нормальная форма 
ОЗР 
– оперативный запас реактивности 
ОЛВМ 
– общий логико-вероятностный метод 
ОС 
– окружающая среда 
ОСП 
– обычные средства поражения 
ПБ 
– показатель безопасности 
ПЖБ 
– пожарная безопасность 
ПК АСМ – программный комплекс автоматизированного структурно-логичес- 
   кого моделирования 
ПОО 
– потенциально опасный объект 
ПП 
– плановый период 
ПТС 
– природно-техногенная среда 
ПУР 
– программа управления риском 
РВ 
– радиоактивные вещества 
РБ 
– радиационная безопасность 
РП 
– радиоактивные продукты 
САП АЭУ – система аварийного расхолаживания атомной энергетической уста- 
    новки 
СБ 
– система безопасности 
СДНФ 
– совершенная дизъюнктивно нормальная форма 
СКНФ 
– совершенная конъюнктивно нормальная форма 
СКО 
– среднее квадратичное отклонение 
СМОБ 
– средства и меры обеспечения безопасности 
СОППЖ – средняя ожидаемая предстоящая продолжительность жизни 
СОС 
– сценарий опасного состояния 
СПЖ 
– средняя продолжительность жизни 
ССИР 
– ситуация случайного исхода решения 
ССС 
– структурно-сложная система 
СТС 
– специальная техническая система 
СЦР 
– самоподдерживающаяся цепная реакция 
СФЦ 
– схема функциональной целостности 
ТГ 
– турбогенератор 
ТКБ 
– токсикологическая безопасность 
ТО 
– технологическая операция 
ТС 
– техническая система 
ТСО 
– техническая система охраны 
ТСФЗ 
– технические средства физической защиты  
ТТХ 
– тактико-технические характеристики 
ФАЛ 
– функция алгебры логики 
ФЗ 
– физическая защита 

ФБС 
– функция безопасности системы 
ФОС 
– функция опасности (опасного функционирования) системы 
ФПЗ 
– функция перехода к замещению 
ФРВ 
– функция распределения вероятностей 
ФРС 
– функция работоспособности системы 
ЧС 
– чрезвычайная ситуация 
ЭБ 
– экологическая безопасность 
ЯБ 
– ядерная безопасность 
ЯВ 
– ядерный взрыв 
ЯВБ 
– ядерная взрывобезопасность 
ЯОК 
– ядерно-оружейный комплекс 
 

Предисловие 
 
Расширение глобальных инфокоммуникационных инфраструктур предопределяет стремительное развитие сферы обеспечения безопасности и надежности 
ресурсов информационных и технических систем. В общем случае под ресурсами информационных и технических систем подразумеваются как физические 
объекты, содержащие данные разного рода (конфиденциальные данные, интеллектуальная собственность и т. д.), так и ресурсы внутри систем (базы данных, 
файлы реестра и т. д.). Особенное место занимают системы управления и контроля, использующие информационные ресурсы для обеспечения выполнения 
сложных технологических процессов и функционирования автоматизированных 
систем и комплексов. 
Возросшее усложнение автоматизированных комплексов управления и контроля предопределило необходимость исследования принципов построения информационно-технических систем с расширенными функциональными возможностями. Одной из важных задач при формировании принципов построения автоматизированных комплексов является возможность управления и контроля 
группой объектов с многоуровневой системой приоритетов. Специфику функционирования системы объектов определяет характеристика информационнотехнической структуры взаимодействия, которая обеспечивает надежное предоставление пользователю полной, достоверной и конфиденциальной информации. 
В рамках рассмотренной проблемы можно выделить ряд научных направлений, формирующих базис для обеспечения безопасного и надежного функционирования систем управления и контроля. В соответствии с этим актуальным 
является создание унифицированных моделей, позволяющих по единым показателям адекватно оценивать качество работы информационно-технических систем, выявлять слабые места и оптимизировать процессы сбора, хранения и обработки информации. Особенностью жизненного цикла подобных систем является 
отсутствие обобщенной структуры, поскольку она существенно зависит от целей, 
выполняемых автоматизированными комплексами, и решаемых ими задач. 
Создание информационно-технических систем управления и контроля с оптимизированной структурой является сложной задачей. Разработку таких систем 
необходимо проводить, организовав ее в виде набора модулей, используя разные 
уровни абстракции и комбинируя отдельные узлы для получения структурных 
элементов, направленных на выполнение поставленных задач. 
Для оценки качества и оптимизации процессов функционирования информационных систем предлагается комплекс математических моделей, показывающих характеристики информации, такие как надежность, полнота, степень 
обеспечения конфиденциальности и достоверности. Применение предложенных 
моделей информационного управления и контроля позволит расширить функ