Обоснование системы показателей живучести арсеналов, баз и складов боеприпасов

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 1/2006, стр. 26-29

Обоснование системы показателей живучести арсеналов, баз и складов боеприпасов

УДК 623.001.5

Полковник Н.И. ЛИСЕЙЧИКОВ,

начальник управления

Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, доцент

Подполковник Ю.И. АНИКЕЕВ,

начальник цикла кафедры устройства и эксплуатации

ракетно-артиллерийского вооружения

Военной академии Республики Беларусь

Обеспечение безопасности и защиты населения, объектов экономики, а также территории Республики Беларусь от чрезвычайных ситуаций является важной социально-экономической и экологической проблемой. Развитие науки и техники, промышленного производства и технологических процессов ведет к тому, что масштабы использования в обществе опасных грузов расширяются. Опыт показывает, что наибольшее число чрезвычайных ситуаций, связанных с использованием опасных грузов, в том числе взрывчатых материалов и боеприпасов, происходит при их хранении и перевозке. Организации перевозок опасных грузов в литературе уделяется постоянное внимание. В то же время вопросы хранения, в первую очередь боеприпасов и взрывчатых веществ (ВВ), раскрываются не в полной мере. Функционирование потенциально опасных производственных объектов связано с глобальной прикладной проблемой, внешним признаком которой является рост числа аварий, катастроф, других чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, возрастанием их масштабов и последствий

Например, взрыв 4.06.1988 г. на станции г. Арзамас трех вагонов с промышленными ВВ. Тогда погиб 91 человек, более 900 получили ранения различной степени тяжести, уничтожен 151 жилой дом, разрушено 250. В Российской Федерации за 1977 - 1995гг. на складах с взрывчатыми веществами и боеприпасами произошло более 40 крупных пожаров, уничтожено около 10 тысяч вагонов боеприпасов или 200 тысяч тонн взрывчатого вещества. Материальный ущерб составил более 35 млрд. руб. [8]. Количество чрезвычайных ситуаций при хранении взрывчатых материалов, боеприпасов, их возможные последствия показывают актуальность данного вопроса не только для Республики Беларусь, но и для всех бывших республик СССР (табл.1).

Проведенный анализ организации хранения боеприпасов на арсеналах, базах и складах (объектах хранения) показал, что обеспечение их живучести в настоящее время осуществляется путем реализации конкретных организационно-технических мероприятий. Данные мероприятия основываются на теоретических разработках 1970 - 1980-х годов прошлого столетия, не позволяют учитывать изменения условий хранения, конструкции, чувствительности ВВ, технического состояния боеприпасов и других факторов [1,5,7]. Налицо ситуация: научно-теоретическое обоснование практической деятельности в данной области явно недостаточно. Актуальными прикладными задачами являются:

сравнительный анализ живучести объектов хранения боеприпасов;

выявление критичных элементов на каждом объекте;

обоснование рациональных способов обеспечения живучести рассматриваемых объектов;

оптимизация расхода финансовых и материальных ресурсов;

снижение ресурсоемкости, повышение результативности режима хранения боеприпасов.

Для успешного решения указанных задач целесообразно использовать методы математического моделирования. При этом следует учитывать отличительные признаки (особенности) объектов хранения боеприпасов и свойства живучести.

1. Объекты хранения боеприпасов представляют собой сложную организационно-техническую систему, состоящую из n элементов. Элементы объектов представляют собой сооружения с размещенными в них на хранение боеприпасами. Эти сооружения (хранилища, площадки открытого хранения и т.д.) могут иметь дополнительное инженерное оборудование (обвалование, технические средства защиты) и различаются степенью защищенности от неблагоприятных внешних воздействий. Степень защищенности и чувствительность боеприпасов к внешним воздействиям определяют состояние элементов объектов хранения боеприпасов при развитии чрезвычайных ситуаций [5, 6]. Состояние элементов характеризуется объемом, имеющимся на них и годных к применению боеприпасов, возможностями по их отгрузке.

2. Для указанных объектов характерным является возможность в случае внешнего воздействия на любой из его элементов возникновения вторичных последствий, ведущих к появлению и развитию эффекта «домино» [3]. Под эффектом «домино» понимается лавинообразное развитие чрезвычайной ситуации на объекте хранения боеприпасов, приводящее к разрушению и (или) уничтожению части его элементов или всего объекта в целом.

3. Под живучестью объектов хранения боеприпасов целесообразно понимать их свойство сохранять и восстанавливать способность выполнять полностью или частично функции хранения и поставки боеприпасов в течение заданного периода времени в экстремальных условиях их функционирования. При этом под экстремальными условиями функционирования понимаются такие, когда в результате воздействий противника, стихийных бедствий, техногенных катастроф, «человеческого фактора» и др. возникает опасность возникновения эффекта «домино».

4. Рассматриваемые объекты предназначены для хранения запасов боеприпасов номенклатур. Для комплексной оценки живучести объектов хранения боеприпасов необходима вероятностная оценка способности сохранения требуемого числа элементов и обеспечения заданных объемов поставок боеприпасов в войска в установленные сроки. Следовательно, необходима разработка двух групп показателей живучести: по состоянию и по результатам выполнения задачи обеспечения войск боеприпасами.

5. В общем случае неблагоприятному внешнему воздействию может быть подвергнут любой из п элементов объекта. Для случая, когда внешнему воздействию подвергается m-й элемент объекта,рассчитывается соответствующее т-е распределение вероятностей числа уничтоженных элементов объекта где к - количество пораженных элементов.

Учитывая отмеченные особенности, обоснуем показатели живучести объектов хранения боеприпасов по состоянию (первая группа показателей живучести). В качестве исходной информации принимаем распределение вероятностей числа уничтоженных элементов объекта хранения боеприпасов. Указанное распределение определяется при решении соответствующей системы дифференциальных уравнений, для определения которой предназначена разработанная ранее соответствующая модель живучести по состоянию [6]. Индексы т и к (здесь и далее) соответственно обозначают номер элемента, подвергнувшегося внешнему воздействию и количество пораженных элементов. Ввиду того, что подвергаться начальному внешнему воздействию может любой из п элементов объекта хранения боеприпасов, то в общем случае необходимо рассматривать п распределений вероятности числа уничтоженных его элементов. Поэтому вводимые показатели назовем частными. К таким показателям следует отнести:

математическое ожидание (МОЖ) числа пораженных элементов - М;

интервальную оценку МОЖ уничтоженного объема ВВ -W;

интервальные оценки МОЖ уничтоженного объема боеприпасов каждой номенклатуры - Q.

Каждый из вводимых показателей рассчитывается для случая, когда начальному внешнему воздействию подвергается 1-й, 2-й,.. .или n-й элемент того или иного рассматриваемого объекта. Поэтому для каждого показателя имеем набор частных показателей, количество которых составляет и, так какДля каждого показателя расчет совокупности

п частных показателей принципиальным образом друг от друга не отличается. Поэтому введенный верхний индекс т (номер элемента, подвергшегося начальному внешнему воздействию) указывать не будем.

Рассмотрим соответствующие аналитические выражения.

Математическое ожидание числа пораженных элементов

Общее количество возможных комбинаций числа пораженных элементов объекта хранения боеприпасов

Для каждой i-й комбинации, i = 1,s, уничтоженных элементов находим Wi - МОЖ объема уничтоженного ВВ (такой расчет легко выполняется, так как известны уничтоженные элементы в результате внешнего воздействия). Определяем

Тогда имеем второй показатель живучести: интервальную оценку МОЖ объема уничтоженных

По аналогии с полученной интервальной оценкой для каждой комбинации числа пораженных элементов, общее количество которых равно s, находим МОЖ объема уничтоженных боеприпасов для z-й номенклатуры боеприпасов, Результаты расчета представим в виде матрицы.Элемент матрицы q, стоящий на пересечении i-й строкии и j-го столбца показывает МОЖ объема уничтоженных боеприпасов j-й номенклатуры в случае уничтожения i-й комбинации элементов объекта хранения боеприпасов. Выполним операции

В результате получим интервальные оценки МОЖ объема уничтоженных боеприпасов по каждой номенклатуре

В результате третий частный показатель живучести определен.

Выполним обоснование общих показателей живучести объектов хранения боеприпасов по состоянию.

Математическое ожидание (МОЖ) числа пораженных элементов - М.

Интервальную оценку МОЖ уничтоженного объема взрывчатых веществ (ВВ) - W.

Интервальные оценки МОЖ уничтоженного объема боеприпасов каждой номенклатуры - Q.

Рассмотрим гипотезы:

Н1 - внешнему воздействию подвергается 1-й элемент, т.е. т = 1;

Н2 - внешнему воздействию подвергается 2-й элемент, т.е. т = 2;

Нп - внешнему воздействию подвергается n-й элемент, т.е. т = п.

Распределение вероятностейопределяется отмеченными выше особенностями ОХБ.

В качестве события Ак примем следующее: поражено не более к элементов объекта хранения боеприпасов. Тогда вероятность события Ак при условии наступления гипотезы Нi. определяется по выражению

где как и при расчете частных показателей живучести, является распределением вероятностей числа уничтоженных элементов ОХБ.

Таким образом, в качестве общего показателя живучести по состоянию принимается вероятность уничтожения не более k элементов

По аналогии с частными показателями, рассмотренными выше, определяются интервальная оценка объема уничтоженных ВВ и интервальные оценки объема боеприпасов каждой номенклатуры. Общее количество возможных комбинаций пораженных элементов объекта хранения боеприпасов Для каждой i-й комбинации,уничтоженных элементов находим объем (Vi) уничтоженного ВВ. В результате имеем оценки, по которым определяем минимальный и максимальный элементы. В конечном итоге имеем искомую интервальную оценку

Индекс к показывает, что оценка полученадля случая, когда уничтожается не более к элементов объекта. Таким образом, можно утверждать, что с вероятностью Rk объем уничтоженного ВВ будет находиться в интервале

В некоторых случаях целесообразно рассматривать вместо события: поражено не более к элементов объекта хранения боеприпасов другие события. Рассмотрим, например, событие Вк, заключающееся в том, что уничтожено ровно к элементов объекта хранения боеприпасов. В этом случае, используя распределение вероятностейи

Тогда, МОЖ числа уничтоженных элементов составит

В результате, в отличие от частных показателей живучести, получена точечная оценка МОЖ числа уничтоженных элементов объекта хранения боеприпасов. Однако точечные оценки МОЖ уничтоженных объемов ВВ и боеприпасов по каждой номенклатуре получить не представляется возможным. Это объясняется существованием неопределенности в отношении комбинации элементов объекта, которые уничтожаются. Поэтому для остальных двух общих показателей схема расчета аналогична рассмотренной для частных показателей живучести по состоянию. Таким образом, рассмотрена совокупность частных и общих показателей живучести объектов хранения боеприпасов по состоянию. Обоснуем и введем вторую группу показателей живучести.

Показатели живучести объектов хранения боеприпасов по результатам выполнения задачи.

Живучесть объектов хранения боеприпасов по результатам выполнения задачи характеризует их способность не только противостоять чрезвычайным ситуациям, но и успешно выполнять поставленную задачу. В этом случае объект, имеющий структуру S0, выполняет поставленную задачу в течение времени t. После внешнего воздействия может возникнуть новая структура Si, включающая подмножества работоспособных, частично и полностью неработоспособных элементов. По окончании внешнего воздействия объект с новой структурой должен приступить к выполнению поставленной задачи в течение заданного периода времени.

В качестве показателей живучести по результатам выполнения задачи рассматриваются:

условная вероятность выполнения задачи обеспечения войск боеприпасами объектом хранения в течение заданного периода времени (0,τ);

коэффициент живучести при однократном воздействии;

коэффициент живучести при и-кратном воздействии.

Условная вероятностьвыполнения задачи обеспечения войск боеприпасами объектом хранения со структурой (Si), сохранившейся после внешнего воздействия в течение заданного периода времени

Коэффициент живучести объекта хранения боеприпасов по результатам выполнения задачи при однократном воздействии [4] определяется по выражению

и представляет собой отношение условных вероятностей выполнения задач объектом с новой P(t/S0) и первоначальной структурой P(t/S0).

Выполнение задачи объектом хранения боеприпасов может осуществляться после одно-, двух-,..., многократных внешних воздействий. Поэтому коэффициент живучести объекта хранения боеприпасов по результатам выполнения задачи при двукратном воздействии может быть рассчитан:

где - условная вероятность выполнения задачи объекта хранения боеприпасов с первоначальной (S0) и со структурой после одно- (S1), двукратного (S2) внешнего воздействия соответственно.

Коэффициент живучести объекта хранения боеприпасов по результатам выполнения задачи при n-кратном воздействии

где P(t/S0), P(t/Sn) - условная вероятность выполне0ния задачи рассматриваемым объектом с первоначальной структурой и со структурой после и-кратного внешнего воздействия соответственно. Для расчета показателей живучести согласно выражениям (1-4) необходимо определять вероятность выполнения задачи рассматриваемым объек.(1том заданной структуры. Для этого может использоваться математическая модель живучести, предложенная в одной из авторских работ [7]..

Предлагаемая система показателей позволяет наиболее полным образом, с высокой степенью достоверности найти конкретные научно обоснованные решения указанных прикладных задач. Наличие совокупности частных и общих показателей, относящихся к двум группам, необходимость иметь систему показателей отражает с системной точки зрения сложность объекта исследований (свойство живучести арсеналов, баз и складов боеприпасов). В то же время к достоинствам предлагаемой системы показателей живучести следует отнести

1. Ясный физический смысл и простая интерпретация результатов расчетов.

2. Адекватное отражение свойств исследуемого предмета - живучести объекта хранения боеприпасов.

3. Относительно несложные математические выражения для расчета вводимых показателей.

4. Универсальный подход при расчете живучести объектов хранения боеприпасов для различных уровней системы.

5. Возможность оценки количества элементов рассматриваемых объектов, объема ВВ, а также объемов уничтожаемых боеприпасов по каждой номенклатуре, уничтожаемых в результате внешних воздействий.

Таким образом, следует сделать вывод, что предлагаемая система показателей живучести и результаты работ[6,7] позволяют обеспечить решение прикладных задач, отмеченных в первом абзаце данной статьи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вольтерра В. Математическая теория борьбы за существование. - М.: Наука, 1976.

2. Руденко Б.Н., Ушаков И.Н. Надежность систем энергетики. - М.: Наука, 1986. - 252 с.

3. Рябинин И.А. Надежность, живучесть и безопасность кораблей //Морской сборник. - 1987. - № 8.

4. Черкесов Г.Н. Методы и модели оценки живучести сложных систем. - М.: Знание, 1987. - 55 с.

5. Шкурко М.Д., ПряхинА.С., Филин Н.Н., Мальков С.И. Основы устройства, службы и безопасной жизнедеятельности баз боеприпасов: Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ, 2002. - 205 с.

6. Аникеев Ю.И. Математическая модель живучести объектов хранения опасных грузов класса 1 //Известия Белорусской инженерной академии №1(17)/1. Мн.:, 2004. - С.238 - 240.

7. Аникеев Ю.И. Обоснование живучести объектов хранения боеприпасов по результатам выполнения задачи // Вестник Военной академии № 2 (3). Мн.: ВА РБ, 2004. - С.16 - 20.

8. Щукин Ю.Г., Кутузов Б.Н., Татищев Ю.А. Промышленные взрывчатые вещества на основе утилизированных боеприпасов. - М.: Недра, 1998. - 315 с.

---