Техносферная безопасность / Akimov - Katastrofi i bezopasnost 2006

Глава 3

Как известно, понятие энтропии введено в середине прошлого века Р. Клаузиусом, который открыл закон возрастания энтропии и в аналитической форме сформулировал второе начало термодинамики. Это понятие получило интерпретацию как функция состояния. В дальнейшем Л. Больцманом энтропии была дана статистическая трактовка, которая широко используется во многих областях знаний. В соответствии с этой трактовкой под энтропией понимается количественная мера неупорядоченности той или иной системы.

Как фундаментальное понятие статистической физики, энтропия системы определяется выражением:

S = k lnW ,

(1.3)

где: k — постоянная Больцмана;

W — термодинамическая вероятность, т.е. число возможных способов реализации данного состояния системы, различающихся теми или иными параметрами составляющих ее элементов.

В процессе установления в изолированной системе равновесного состояния неупорядоченность системы монотонно возрастает, пока не достигнет максимальной величины, соответствующей равновесию. Максимальное значение энтропии системы свидетельствует о большом беспорядке в ней.

Реальные организационно-технические системы, к которым относятся рассматриваемые нами объекты, а также и более сложные системы являются не изолированными, а открытыми. Возможность применения для анализа их состояния термодинамических функций, в частности энтропии, может быть обоснована следующими рассуждениями.

По взглядам ряда авторов [14, 20, 21], в открытых системах могут образовываться упорядоченные подсистемы, представляющие собой с термодинамической точки зрения диссипативные структуры, которые питаются энергией от внешних систем. Однако при этом суммарная величина энтропии в совокупности систем стремится к максимуму, т.е. второй закон термодинамики соблюдается.

Следует отметить одно немаловажное обстоятельство, связанное со свойствами энтропии неравновесных структур. Дело в том, что если в какой-то системе возникает устойчивая упорядоченность нового качества с низким значением энтропии, суммарное увеличение энтропии совокупности взаимодействующих структур значительно превосходит по величине указанное выше уменьшение энтропии

вотдельной подсистеме [20].

Аэто означает, что создание упорядоченной структуры, каковой является любой промышленный и иной рукотворный объект, сопряжено с весьма большими затратами на обеспечение прежней устойчивости системы более высокого порядка. Уместно привести фигуральное выражение по этому поводу: «просто так ничего не возникает, за все нужно чем-то платить».

Упорядоченные структуры реагируют на внешние воздействия с большей чувствительностью, чем равновесные термодинамические системы, и изменяют свои свойства. Необходимыми и достаточными условиями для существования упорядоченных систем являются:

—наличиеисточников,снабжающихвеществом,энергией с низкойэнтропией;

— возможность избавления от отходов, обладающих высокой энтропией.

51

Раздел I

Следует отметить, что в этих условиях понятие энтропии используется как показатель термодинамической некачественности энергии.

Кстати, важнейшим источником с низким значением энтропии, т.е. энергии высокого качества, является солнечное излучение. Оно обеспечивает жизнедеятельность биосферы, протекание различных неравновесных процессов, включая фотосинтез и другие биохимические реакции.

Как уже отмечалось, понятие энтропии, в настоящее время, по сути переживает второе рождение. Появившись в термодинамике как некая характеристическая функция состояния системы, однозначно зависящая от внутреннего состояния макротела, пространственного расположения и движения образующих это макротело микрочастиц, она получила весьма важное для научного объяснения многих природных, природно-антропогенных и даже социальных процессов и явлений трактование, основанное на теории информации. Совершенно обоснованное применение энтропийного фактора для анализа самопроизвольного течения тех или иных процессов, определения предела их протекания и условий равновесия не только для изолированных, но и для закрытых и открытых систем, открывает широкие возможности для развития и совершенствования теории безопасности.

По современным представлениям [25, 26], наряду с положительной энтропией в природе существует антиэнтропия, или отрицательная энтропия, и, что немаловажно, это не противоречит взглядам на энтропию, основывающихся на термодинамических соображениях.

Заметим, что отрицательной энтропией обладают упорядоченные системы, способные к самоорганизации, полной самоуправляемости и саморазвитию. В качестве примера такого рода систем может служить мозг и сознание человека, живые организмы в целом.

Ученые считают, что для рассмотрения связей, существующих в системе между веществом (массой), энергией и информацией, является весьма важным исследование негэнтропии, о которой ранее уже упоминалось. Дело в том, что негэнтропия связана с так называемым негэнтропийным полем, являющимся носителем информации и — наряду с веществом и энергией — еще одной формой существования объективной реальности. Как известно, вещество (масса) системы связано с полем механических и гравитационных сил, а энергия — с электромагнитным, тепловым полем и звуковыми колебаниями. Информация же, полученная системой, как нематериальная реальность воздействует на негэнтропию системы, которая имеет связь с массой и энергией. Таковы современные взгляды.

Рассматриваемые нами сложные организационные системы, безусловно, являются системами открытого типа. Они содержат черты энтропии и негэнтропии, т.е. черты беспорядка (хаоса) и порядка, неопределенности и определенности, неорганизованности и организованности.

При переходе указанных систем из одного состояния в другое, как и любых других открытых систем, обменивающихся с внешней средой энергией, веществом и информацией, изменение энтропии системы можно представить в виде суммы двух компонент [26]:

—изменение энтропии в результате процессов, происходящих внутри самой системы без влияния внешней среды;

—изменение энтропии за счет внешних источников: обмена между системой

ивнешней средой энергией, веществом, информацией (получения данной системой этих субстанций).

52

Глава 3

Принципиальным здесь является то обстоятельство, что изменение энтропии, обусловленное внутренними процессами, происходящими в системе, самопроизвольно и всегда положительно, т.е. направлено в сторону роста энтропии. При этом естественно снижается уровень порядка и организованности системы, в системе увеличивается риск возникновения аварий, катастроф и других опасных явлений, снижается эффективность мер и действий по обеспечению безопасности.

Изменение же энтропии за счет воздействия внешней среды через энергию, вещество и информацию, как правило, отрицательно и направлено в сторону увеличения порядка и организованности системы. В системах, являющихся предметом данных исследований, укрепляется социально-экономическая, инженер- но-техническая, организационная основа для достижения целевых их функций и эффективного обеспечения всех видов безопасности.

Рассматриваемые системы являются не только открытыми, но для них характерно еще и протекание неравновесных процессов. Хотя следует заметить, что, благодаря целенаправленной деятельности человека и осуществляемым мерам со стороны внешней среды, в таких системах возможно установление динамического равновесия. Причем это равновесие может иметь место не обязательно во всех сферах деятельности системы, а лишь в части, касающейся реализации тех или иных целевых функций, в частности, целевых функций по обеспечению безопасности системы.

Поскольку в соответствии со вторым законом термодинамики для любых, в том числе открытых, систем изменение первой компоненты энтропии выражается формулой dЭ1>0, то общее уменьшение энтропии и установление необходимого порядка, осуществление определенных мер и действий по поддержанию приемлемых уровней риска и обеспечению безопасности представляется возможным только за счет второй компоненты энтропии, при условии выполнения неравенства dЭ2<0.

В терминах термодинамики речь идет о том, что для поддержания безопасности социально-экономических и организационно-технических систем на том или ином уровне необходимо постоянно извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию (антиэнтропию) и передавать ее системам.

Весьма важное значение в решении задач обеспечения безопасности соци- ально-экономических систем имеет учет определенных системных законов и закономерностей, позволяющих предвидеть процессы и явления, возникающие

вкризисных ситуациях, и определить наиболее эффективные меры и действия для предупреждения этих ситуаций и выхода из них.

Наиболее важной системной закономерностью, на основе которой строятся многие обоснования по направленности и содержанию управленческого процесса

всфере системного риска и обеспечения безопасности систем, является закономерность энтропийного динамического равновесия или возрастания и убывания энтропии (или негэнтропии) в открытой системе. Суть этой закономерности состоит в следующем.

Все процессы, протекающие в реальных открытых системах, сопровождаются как ростом, так и уменьшением энтропии системы. В противоборстве этих двух тенденций определяется знак изменения суммарной энтропии: плюс — когда dЭ1>dЭ2, минус — когда dЭ1<dЭ2.

Вслучае возрастания энтропии (знак плюс) в системе наблюдается дезорганизованность и уменьшение порядка, при убывании энтропии происходит упорядочение структуры и процессов, протекающих в системе.

53

Раздел I

В случае, когда две противоборствующие тенденции (рост и уменьшение энтропии) в системе полностью уравновешивают и компенсируют друг друга, возникает энтропийное равновесие, система приобретает стабильность. Точка энтропийного равновесия, называемая «критической точкой», показана на графике (рис. 1.10) [26].

Положение энтропийного равновесия существенно зависит от степени открытости системы. Что очень важно, степенью открытости реальных социаль- но-экономических систем представляется возможным управлять, увеличивая или уменьшая внешнее воздействие на них. Применительно к решению задач по управлению безопасностью это внешнее воздействие сводится к выполнению мер

идействий по регулированию уровня системного риска (математического ожидания суммарного, наиболее значимого для системы, ущерба) за счет резервных ресурсов, страховых и иных фондов. Увеличение объема внешнего вмешательства ведет к росту степени открытости системы, уменьшение количества и объема мер

идействий, проводимых силами структур более высокого уровня, снижает степень открытости системы.

Рис. 1.10. Реальная система со степенью открытости a > 0

Степень открытости, а следовательно, объем оказываемой извне помощи системе по обеспечению безопасности, например, силами МЧС России, однозначно определяет положение энтропийного равновесия (критического уровня организации) системы. На рис. 1.11. показаны три различных уровня открытости системы, не принадлежащей определенному виду, которые соотносятся с тремя соответствующими уровнями внешнего воздействия на систему, а также три положения энтропийного равновесия.

Для реальных социально-экономических систем указанные на рис. 1.11. положения энтропийного равновесия означают три состояния системы, каждое из которых характеризуется вполне определенной совокупностью оцениваемых количественно угроз и опасностей и адекватными мерами и действиями по обеспечению безопасности системы.

54

Глава 3

Рис. 1.11. Смещение линии энтропийного равновесия. Здесь a1, a2, a3 — степени открытости системы; F1, F2, F3 — уровни внешнего воздействия

Вполне понятно, что любая реальная система в аспекте реализации целевых функций по безопасности, обладает определенной инерционностью, и это необходимо учитывать в практической деятельности.

С началом реализации в системе определенной стратегии обеспечения безопасности, осуществления конкретных превентивных и других мер и действий включается компенсационный механизм снижения уровня неорганизованности

ибеспорядка, выражающихся повышенной опасностью и риском. Вследствие инерционности системы в сфере реализации указанных выше мер и действий возникают энтропийные колебания относительно энтропийного равновесия. Эти колебания со временем затухают, и система приходит в равновесное состояние, т.е. выходит на гомеостазное плато.

Как известно, в основе гомеостаза лежит принцип обратной связи. Применительно к поддержанию равновесного состояния социально-экономичес- кой или организационно-технической системы в части, касающейся безопасности, в качестве обратной связи можно рассматривать всю совокупность мер и действий по обеспечению непревышения уровня системного риска установленных пределов. Энтропийный колебательный процесс схематично показан на рис. 1.12. [25].

При управлении безопасностью социально-экономических систем зачастую возникает практическая задача, связанная с изменением в ту или иную сторону (как правило, в сторону повышения) ранее установленного уровня безопасности. Причин для этого может быть достаточно много: изменившиеся условия обстановки; ужесточение требований по уровню безопасности; открывшиеся дополнительные ресурсные возможности и т.п. В этом случае благодаря предпринятому внешнему воздействию происходит изменение степени открытости системы

исдвиг в соответствующую сторону энтропийного равновесия. Однако это новое

55

Раздел I

положение энтропийного равновесия устанавливается опять в результате колебательного процесса около временной оси, соответствующей новому критическому уровню.

Рис. 1.12. Изменение энтропии системы. Кривая 1 соответствует случаю, когда Э01 < Эp; кривая 2 — когда Э02 > Эp

Необходимо иметь в виду, что в любом случае энтропийное равновесие в открытой системе, к какой бы сфере функционирования системы оно не относилось, носит динамический характер и, по сути дела, колебательный процесс в ней не прекращается.

В управлении безопасностью и риском реальных сложных систем, являющихся предметом данного исследования, весьма важную роль играют потенциальные возможности системы в выполнении ею целевых функций в рассматриваемой области. Эти потенциальные возможности могут быть названы «частным потенциалом» системы в сфере безопасности. В дальнейшем по тексту этот частный потенциал условно будет называться просто «потенциалом системы». Однако будет пониматься, что речь идет о потенциале в сфере безопасности.

Под рассматриваемым потенциалом имеется в виду прежде всего совокупность ресурсов всех видов, используемых для обеспечения безопасности (материальных, экономических, финансовых, конечно же, людских, интеллектуальных, духовных и др.), а также адекватная современным научно-техническим достижениям и мировому опыту концепция управления безопасностью системы в различных условиях обстановки, в том числе в кризисных ситуациях и в военное время. Необходимо отметить, что на любой рассматриваемый момент времени потенциал системы (ее ресурсы и концепция управления безопасностью) могут быть подразделены на две части: актуализированный потенциал, т.е. фактически реализующийся при решении тех или иных задач по обеспечению безопасности, и неактуализированный потенциал, который пока не используется и находится как бы в резерве.

Потенциал таких сложных систем, как социально-экономические и органи- зационно-технические, по вполне понятным причинам, существенно зависит от

56

Глава 3

степени организованности системы, от того, какова структура системы, в какой мере она отвечает задачам обеспечения безопасности, как осуществляется связь между элементами системы и т.п. Указанными факторами определяется и суммарная величина энтропии системы, равная сумме составных ее элементов.

В хорошо организованной системе, характеризующейся наличием определенного порядка и отсутствием неопределенности в реализации целевых функций в сфере безопасности, потенциал системы намного выше суммы потенциалов элементов, образующих систему. Это обусловлено свойством эмерджентности хорошо организованной системы.

Вто же самое время энтропия высоко организованной системы меньше, чем сумма энтропии элементов системы. Дело в том, что в данном случае проявляется так называемое интегративное свойство системы, которое реализуется только при определенной интеграции ее элементов и наличии у системы свойства эмерджентности.

Всложных организационных системах, где каждый элемент системы выполняет свойственные ему функции по обеспечению безопасности, однако отсутствует согласованное и эффективное их взаимодействие, потенциал системы равен сумме потенциалов составляющих ее элементов, а энтропия системы определяется также как сумма энтропий компонентов системы в силу того, что для таких систем характерна суперпозиция, а не эмерджентность.

Совсем по-другому дело обстоит в неорганизованных системах, где не упорядочена функциональная структура, порядок управления безопасностью и имеет место неопределенность в организации обеспечения безопасности. Потенциал таких систем определяется как среднее значение потенциала элемента системы.

Энтропия системы в рассматриваемом случае определяется как энтропия менее организованного элемента.

Рассмотренные выше методологические подходы к оценке состояния социаль- но-экономических систем являются безусловно глубоко научными. Однако для их практического внедрения требуются еще серьезные проработки по созданию рабочих методик.

Взаключение следует отметить, что проведенный анализ современных направлений развития теории катастроф, базирующихся на синергетическом и энтропийном (информационном) подходах, следует рассматривать как попытку

систематизировать и изложить представления о данном предмете, не прибегая к использованию математических методов. В результате этого анализа открылись определенные пути развития теории управления безопасностью сложных органи- зационно-технических систем.

Изложенные на основе литературных данных новые подходы в развитии теории катастроф могут рассматриваться в качестве научной основы для дальнейшего нетрадиционного совершенствования управленческого процесса в сфере обеспечения безопасности технгенно опасных объектов.

Безусловно, предлагаемый читателю материал не в полной мере охватывает затронутую проблему. Ряд положений, в частности касающихся синергетического и информационного подходов к анализу и оценке состояния и развития систем, носит проблемный характер. Требуется проведение углубленных исследований с целью их дальнейшего осмысления, некоторого уточнения, развития и выявления путей практической реализации при решении задач обеспечения безопасности.

57

Глава 4.

Прогнозирование аварий и катастроф

Роль и значение прогнозирования аварий и катастроф в современных условиях, основы построения прогнозирующей системы

Прогнозирование и количественная оценка опасностей и угроз во многих сферах человеческой деятельности в настоящее время приобретает все большее значение. Это касается и различного рода опасных событий, происходящих на объектах техносферы. С учетом указанных обстоятельств в России принят ряд федеральных законов и других документов, отражающих и закрепляющих современные взгляды на обеспечение безопасности в государстве в целом и в различных сферах деятельности. В их числе можно назвать: Федеральный закон «О безопасности»; Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»; Федеральный закон «О радиационной безопасности населения»; Концепция национальной безопасности государства и др.

Для решения важной для многих структур государства проблемы безопасности за основу могут быть приняты современные научные достижения ученых Российской академии наук, МЧС России, других министерств и ведомств в области теории риска и управления безопасностью, ориентированные на достижение и поддержание требуемого уровня безопасности, выраженного в категории риска.

Как известно, любая будущая ситуация в той или иной мере является неопределенной и нуждается в прогнозной оценке. В особенности это относится к состоянию опасных в техногенном отношении объектам, а также к зонам возникновения и развития опасных природных явлений.

Прогнозирование является одним из важных инструментов, позволяющих если не исключить, то по крайней мере снизить неопределенность в оценке вновь возникающих факторов и развития неблагоприятной ситуации и с учетом этого принять правильное решение по выходу из нее. В настоящее время предпочтение отдается прогнозированию, основанному на научных методиках, объективно отражающих происходящие в природе и техносфере процессы и влияющие на них факторы. Однако не исключаются и интуитивные прогнозы, базирующиеся на большом опыте и высокой квалификации лиц, высказывающих свой взгляд на развитие событий, предсказывающих их конечный результат.

При исследовании и практическом осуществлении прогнозирования, к сожалению, применяется еще не всегда однозначная терминология. В данной работе представляется целесообразным придерживаться терминов и понятий, принятых Ю.В. Чуевым и Ю.Б. Михайловым [44]: предсказание; прогнозирование; прогноз; прогнозирующая система и др.

58

Глава 4

Суть указанных выше и некоторых других терминов и понятий состоит в следующем: предсказание — искусство суждения о будущем состоянии объекта, основанное на субъективном «взвешивании» большого количества качественных и количест-

венных факторов; прогнозирование — исследовательский процесс, результатом которого являются

вероятностные данные о будущем состоянии прогнозируемого объекта, включая данные о вероятности возникновения катастрофы и путей ее развития, если речь идет, например, о техногенно опасном объекте;

прогноз — конечный результат предсказания и (или) прогнозирования; прогнозирующая система — система, включающая в себя математические, ло-

гические, эвристические элементы, на вход которой поступает имеющаяся к настоящему моменту информация о прогнозируемом объекте, а на выходе выдаются данные о будущем состоянии этого объекта, в том числе о возможной катастрофе, если объект является опасным (прогноз);

точечный прогноз — оценка математического ожидания в заданный момент времени в будущем;

интервальный прогноз — прогноз в области, в которую с заданной вероятностью попадают прогнозируемые параметры (величины), характеризующие процесс или объект. При этом точечный прогноз во многих случаях является некоторым центром, около которого по определенному закону группируются будущие события. Однако не всегда. Интервальный прогноз для определенного временного промежутка может интерпретироваться и иначе — прогнозируемое событие имеет равномерное распределение по временному интервалу. Например, при прогнозировании техногенно опасных событий обычно оценивается вероятность возникновения аварии определенного вида в течение года;

интервал наблюдения — отрезок времени и (или) пределы изменения других независимых переменных, для которых имеются статистические данные о поведении прогнозируемой величины до настоящего момента времени;

интервал упреждения — отрезок времени с момента производства прогноза до момента времени в будущем, для которого делается прогноз.

Для примера рассмотрим основные этапы прогнозирования и главный принцип оценки антропогенных воздействий при катастрофах на опасных объектах техносферы.

Основываясь на изложенных выше общих представлениях о прогнозировании, под прогнозированием антропогенных воздействий, связанных с катастрофами, будем понимать исследовательский процесс, осуществляемый с целью получения вероятностных суждений о возникновении катастрофы, характере и параметрах сопровождающих ее явлений и воздействий в будущем. Под прогнозной оценкой антропогенных воздействий имеется в виду сопоставление прогнозируемых параметров, которыми характеризуются возможность возникновения аварии катастрофического характера и сопровождающие ее воздействия на окружающую среду, с научно обоснованными приемлемыми значениями.

Как уже отмечалось, в общем случае прогнозирующая система может включать математические, логические и эвристические элементы. На вход системы поступает имеющаяся к настоящему моменту времени информация о прогнозируемом явлении, процессе, объекте; на выходе системы выдаются данные о будущих параметрах явления, процесса (состоянии объекта), то есть прогноз. Блок-схема прогнозирующей системы приведена на рис. 1.13.

59

Раздел I

Рис. 1.13. Блок-схема прогнозирующей системы

Заметим, что данная блок-схема отражает процесс прогнозирования для ка- кого-либо одного вида антропогенного воздействия (катастрофы определенного вида). Руководствуясь этой схемой, можно произвести в отдельности прогнозирование каждого из возможных видов антропогенного воздействия (катастроф). Сочетанное воздействие учитывается при оценке прогнозных результатов.

В соответствии с рассматриваемой блок-схемой первым этапом при прогнозировании является сбор и анализ необходимой исходной информации, касающейся источников, факторов и параметров процессов, могущих привести к аварии катастрофического характера, антропогенного воздействия, сопровождающую такую аварию в ретроспективе и в настоящее время.

Значительная часть указанной исходной информации может быть получена в блоке комплексного мониторинга, где предусматривается наблюдение за источниками, факторами антропогенного воздействия и собственно антропогенным воздействием на окружающую среду. Частично исходная информация для прогнозирования вырабатывается также блоком мониторинга, связанным с оценкой уровней антропогенного воздействия.

Необходимо отметить, что к исходной информации могут быть также отнесены некоторые научные положения и закономерности протекания процессов в данной предметной области.

Второй этап прогнозирования состоит в создании математической модели процесса антропогенного воздействия рассматриваемого вида на окружающую среду, а также методического аппарата для определения неизвестных параметров

60