Электронная библиотека » Владимир Живетин » » онлайн чтение - страница 6


  • Текст добавлен: 1 октября 2015, 04:01


Автор книги: Владимир Живетин


Жанр: Прочая образовательная литература, Наука и Образование


Возрастные ограничения: +12

сообщить о неприемлемом содержимом

Текущая страница: 6 (всего у книги 27 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

Шрифт:
- 100% +
1.6. Вероятностные показатели рисков и безопасности
1.6.1. Области допустимых состояний

В общем случае в процессе функционирования динамических систем измерению и ограничению подлежат многомерные процессы. В дальнейшем ограничимся рассмотрением одномерного и двумерного процессов. В этом разделе мы рассмотрим несколько моделей процессов контроля индикаторов х(t) состояния как динамической системы, имеющих односторонние и двусторонние ограничения. При одностороннем ограничении возможны следующие ситуации.

1. Простейшая ситуация.

Ограничиваемый процесс х(t) – одномерный, ограничения односторонние, в нашем примере – по минимуму (рис. 1.29), значение х1доп вычислено в системе контроля точно, без ошибок, ошибки измерения δх = хф хизм равны нулю, т. е. хизм = хф; динамикой процесса х(t) и ошибками управлений можно пренебречь. При этих условиях критическое значение х, т. е. хкр, совпадает с х1доп. Такую ситуацию и модель (систему) будем считать идеальной.


Рис. 1.29


2. Системе контроля присущи ошибки вычисления хдоп.

Система контроля вычисляет хдоп с ошибкой δхдоп. При этом множество Ω1доп уменьшают на некоторую величину Δ1, которую называют запасом (рис. 1.30).

С помощью Δ1 компенсируются потери, обусловленные погрешностями δхдоп как факторами риска. При этом х2доп > х1доп.


Рис. 1.30


3. Измеренное значение хизм индикатора х и его фактическое значение хф отличаются на величину δх – погрешность измерения, которая отлична от нуля. При этом с целью компенсации потерь, обусловленных δх, вводят новое множество Ωoдоп, которое называется областью допустимых значений х, полученных при измерении или оценке, и соответствующий запас Δ2 = х3доп – хкр (рис. 1.31).

4. В некоторых случаях динамика процесса = dx / dt такова, что ею нельзя пренебрегать в силу свойств системы управления (ее инерционных характеристик). Тогда вводят запас Δ3 = х4доп хкр (рис. 1.32) для компенсации потерь, обусловленных в том числе динамикой процессов.


Рис 1.31


Случай двусторонних ограничений, накладываемых на х(t), представлен на рис. 1.33.


Рис. 1.32


Граничные элементы множества (Ω)э обозначим (хн)доп и (хв)доп, где (хн)доп < (хв)доп, т. е. Ωэ – это область допустимых состояний, когда отсутствуют динамика системы и погрешности контроля, т. е. область допустимых состояний, например, из условий устойчивости. При этом имеем


xндоп = xнкр + Δн; xвдоп = xвкр – Δв,


где xнкр, xвкр – соответственно нижнее (минимальное) и верхнее (максимальное) критические значения индикатора; xндоп, xвдоп – соответственно нижнее (минимальное) и верхнее (максимальное) допустимые значения контролируемого и ограничиваемого индикатора; Δн, Δв – соответственно нижняя и верхняя величины гарантийного запаса для индикатора, вводимые на случай непреднамеренного выхода x за допустимые значения при неблагоприятном сочетании возмущающих факторов, в том числе из-за ошибок измерения. При этом критические значения, как правило, определяются для установившегося режима функционирования социально-экономической системы, когда компоненты вектора состояния x постоянны или изменяются пренебрежимо мало.


Рис. 1.33


Задача построения множества допустимых состояний для нестационарной социально-экономической системы более сложна и в настоящее время еще не получила окончательного решения. В отличие от установившегося движения здесь необходимо рассматривать также скорость изменения ограничиваемого параметра системы.

Введем множество (Ω)диндоп допустимых значений x в неустановившемся режиме:


(Ω)диндоп = {x : (xн)диндопx ≤ (xв)диндоп},


где (xн)диндоп = φн(xндоп, ); (xв)диндоп = φв(xвдоп, ); φн, φв – неизвестные функции, подлежащие определению; .

Рассмотрим множество (Ω)кдоп, заданное с учетом погрешностей системы контроля. Информационно-измерительная система обладает погрешностями δ(t), в результате в простейшем случае на ее выходе имеем (x)изм = (x)ф + δ. Погрешности измерения δ = δ(t) обусловливают необходимость введения допустимых xкдоп, индицируемых на выходе системы контроля, значений контролируемого и ограничиваемого параметра x(t), т. е. дополнительного запаса.

Множество (Ω)кдоп допустимых в процессе контроля (оценки) значений x(t) определим следующим образом:


(Ω)кдоп = {x : (xн)кдоп < x < (xв)кдоп},


где (xн)кдоп, (xв)кдопсоответственно нижнее и верхнее допустимые при контроле значения x(t) (рис. 1.33). В частном случае


(xв)кдоп = (xв)доп Qв; (xн)кдоп = (xн)доп + Qн,


где Qв, Qнсоответственно верхний и нижний запасы, обусловленные погрешностями измерения и подлежащие определению в процессе анализа риска.

В общем случае величины (x)кдоп (Ω)кдоп являются функциями ряда параметров и имеют вид


(x)кдоп = f(x1, …, xn, (x1)доп, …, (xn)доп, (x1)кр, …, (xn)кр, ki, σ2, t),


где kiпараметр системы контроля, подлежащий определению при проектировании ; σ2 – дисперсия погрешностей функционирования информационно-измерительной системы; f – функции, описывающие закон изменения области Ωкдоп(xкдоп).

На рис. 1.34 приведены графические представления указанных выше множеств для двумерного вектора состояния в стационарном случае. На данном рисунке обозначено: Ωдоп = Ωэ; (Ω2)доп = (Ω2)э; (Ω1)доп = (Ω1)э.


Рис. 1.34


Будем говорить, что риск динамической системы равен нулю, если ее параметры х постоянно находятся в области допустимого состояния, и записывать х Ωдоп. Движение на границе области Ωдоп или вблизи ее иногда является требуемым режимом такой динамической системы, как социально-экономическая. Последствия возникновения нештатного режима, т. е. выхода из области Ωдоп, часто называют кризисом или катастрофой. При этом говорят, что динамическая система сменила базис своего состояния. Как правило, динамическая система по завершении переходного процесса переходит из одного установившегося состояния в другое. В связи с тем, что новое состояние в Ωкр не отвечает ее целевому назначению, его необходимо предотвратить. В общем случае область Ωдоп и ее граница Sдоп зависят от следующих управлений-возмущений, действующих, например, на социально-экономическую динамическую систему со стороны внешней среды:

– ресурсов (v1);

– государства с его законами и исполнительными органами (v2);

– общества, в том числе трудового коллектива, требующего от социально-экономической системы выполнения своих запросов (v3);

– космоса и окружающей среды, требующих вложения человеческих сил для обеспечения нормальной жизнедеятельности космоса (v4);

– культуры, создающей определенный интерес к другой жизни и другим взглядам на жизнь, желания изменить свою жизнь (v5);

– политики, без которой сегодняшнее общество не существует (v6);

– финансов, т. е. стимула для развития динамической системы (v7).

Каждое из этих управлений-возмущений непрерывно изменяется как во времени, так и в пространстве состояния динамической системы. Таким образом, Ωдоп = Ωдоп(v(v1, …, v7), Ωкр = Ωкр(v1, …, v7).

С учетом сказанного, при оценке рисков и безопасных значений индикаторов динамической системы необходимо принимать во внимание следующее.

1. На вход динамической системы поступают ресурсы, а на выходе имеем совокупность параметров х(t), подлежащих контролю, ограничению и управлению.

2. Динамическая система предназначена для достижения заранее определенной цели, которая может меняться в процессе функционирования, в том числе по воле человека.

3. Невыполнение поставленной задачи означает потери создателя динамической системы и его риск.

4. Каждая динамическая система имеет множество критических состояний, в которых она теряет свои свойства и не способна выполнять поставленные задачи.

5. Потери, обусловленные недостижением цели, связаны с выходом контролируемых параметров в критическую область.

6. Область допустимых состояний Ωдоп и соответствующие ей xдоп изменяются в процессе функционирования и определяются экспериментально или теоретически.

7. Для предотвращения потерь и наилучшего достижения цели динамическая система должна включать в себя системы контроля и управления.

8. Система контроля обладает погрешностями, что обусловливает в процессе функционирования динамической системы необходимость строить область допустимых состояний Ωкдоп. При этом, как правило, Ωдоп и Ωкдоп не совпадают, т. е. Ωкдоп Ωдоп.

9. Оператор (человек), используя информационно-измерительную систему для управления, получает измеренные значения контролируемых параметров, которые обозначим xизм.

10. На выходе динамической системы реализуются фактические значения параметров, которые обозначим xф. При этом xизм = xф + δх, где векторный случайный процесс δх – погрешность информационно-измерительной системы.

11. Фактические значения параметров xф, в силу объективных причин, обусловленных внешними возмущениями и внутренними шумами, а также субъективными причинами, свойствами управлений от человека, изменяющимися случайным образом, представляют собой случайные процессы. На этапе анализа динамической системы векторный процесс xф должен задаваться с помощью математических моделей.

12. Для компенсации влияния δх на величину риска вводятся такие допустимые при контроле значения xкдоп и соответствующая им область Ωкдоп Ωдоп, которые в одномерном случае записываются в виде |xдоп xкдоп| > 0, когда реализуется требование xдоп xкдоп.

13. При контроле над динамическими процессами, когда скорость изменения процесса во времени ≠ 0, необходимо вводить дополнительный запас, например, в виде = k || и вектор хдиндоп = хдоп ± . В результате имеем Ωкдоп Ωдиндоп Ωдоп при двустороннем и одностороннем ограничении.

14. Предотвращение потерь состоит в обеспечении условия xф(t) Ωдоп(t) для любого момента времени t функционирования динамической системы. Для целей управления мы располагаем величиной xизм, кроме того, система контроля индуцирует не область Ωдоп, а Ωкдоп. При этом хкдоп = хдоп + δхдоп, где δxдоп – погрешность функционирования системы контроля, а xкдоп задает границы Ωкдоп. В этих условиях можно обеспечить только условие хизм Ωкдоп, а это означает, что возможен выход xф из области Ωдоп, что может привести к соответствующим потерям и рискам.

15. В силу того, что процессы xф и xизм являются случайными, в качестве меры риска будем рассматривать вероятности P событий, приводящие, например, к экономическим, техническим, финансовым и другим потерям.

16. С учетом сказанного, необходимо разработать показатели риска


P = P(xдоп, xдиндоп, xкдоп, Моk(хф), Моk(хизм), a, b),


где Моk(хф) – центральный момент k-го порядка векторного случайного процесса xф для всех k N; Моk(хизм) – центральный момент k-го порядка векторного случайного процесса xизм; векторные величины a, b – параметры системы.

17. Полученные расчетным путем вероятности Рi уточняются в процессе функционирования динамической системы. В общем случае уточняются как Pi, так и область Ωкдоп.

Рассмотрим математическую модель вероятностных показателей риска и безопасности с учетом введенных понятий.

1.6.2. Вероятностное пространство событий. Вводные замечания

Поиск решения задачи в работе осуществляется при следующих допущениях относительно контролируемого и ограничиваемого индикатора x:

– критическое значение параметра состояния постоянно и не зависит от времени (xкр = const);

– фактические и измеренные значения параметра представляют собой случайные процессы с известным законом распределения;

– превышение параметром (когда ограничение сверху) величины xкр на любом интервале времени ведет к критической ситуации.

Введем необходимые обозначения.

Текущее, или фактическое, значение параметра запишем в виде xф = xн + Δx, где xн – номинальное значение (математическое ожидание) параметра; Δx – отклонение параметра движения x относительно xн. Обозначим через δx погрешность измерения параметра. Тогда измеренная величина параметра контроля x будет определяться суммой:


xизм = xн + Δx + δx.


Обозначим α xн + Δx = хф; β δx; γ xизм = α + β ( означает равенство по определению); xвдоп xв, xндоп xн – соответственно верхнее и нижнее допустимые значения хф; xквдоп , xкндоп – для измеренных значений x верхнее и нижнее допустимые соответственно; xн < < < xв (рис. 1.35).

Очевидно, что по известным вероятностным характеристикам (Δx, δx, xизм) находятся вероятностные характеристики (α, β, γ) и наоборот. При этом рассматривается вектор (α,γ) зависимых случайных процессов, в частности стационарных, а α и β – независимые случайные процессы (величины).

В процессе выполнения поставленной цели относительно фактических и измеренных значений возможны следующие события.

1. Фактическое значение α параметра находится в области допустимых значений, т. е. на одном из трех отрезков, принадлежащих промежутку [xн, хв] (рис. 1.35). Тогда имеем событие Аα {(xн ≤ α ≤ ) ( ≤ α ≤ ) ( ≤ α ≤ хв)}.

2. Фактическое значение α находится вне области допустимых состояний, превышая хв (рис. 1.36). В итоге имеем Вα {α > хв}.

3. Фактическое значение α находится вне области допустимых состояний, не достигая хн (рис. 1.37). В итоге имеем Cα {α ≤ хн}.


Рис. 1.35


Рис. 1.36


4. Измеренное значение γ индикатора х состояния динамической находится в области допустимых состояний объекта (рис. 1.38). В этом случае имеем событие Aγ { ≤ γ ≤ }.


Рис. 1.37


Рис. 1.38


5. Измеренное значение γ индикатора х состояния динамической системы находится вне области допустимых значений, превышая (рис. 1.39). В итоге имеем Вγ {γ ≥ }.

6. Измеренное значение γ индикатора х находится вне области допустимых значений, не достигая (рис. 1.40). В итоге имеем Сγ {(γ ≤ )}.


Рис. 1.39


Рис. 1.40


В процессе контроля индикатора х, изменяющегося во времени на всей числовой оси, возможны следующие гипотезы.

Гипотеза Аα. Ограничиваемый индикатор х, его фактическое значение хф, находится в области допустимых значений, т. е. имеет место событие Аα.

Гипотеза Вα. Фактическое значение индикатора динамической системы xф находится вне области допустимых состояний Bα. С помощью средств контроля или оценки имеем Аγ, Вγ или Сγ.

Гипотеза Сα. Фактическое значение индикатора динамической системы xф находится вне области допустимых состояний Сα. С помощью средств контроля или оценки имеем Аγ, Вγ или Сγ.

В итоге имеем различные события Sij, которые сгруппируем следующим образом:

I. (АαАγ); → S11;

II. (АαСγ); (АαВγ); → S21, S22;

III. (СαАγ); (ВαАγ); → S31, S32;

IV. (СαСγ); (ВαВγ); → S41, S42;

V. (СαВγ); (ВαСγ); → S51, S52.

Полученные события характеризуют следующие контролируемые состояния динамической системы:

I) безопасные (в норме);

II) опасное ложное из-за ошибок измерения (фактическое безопасное);

III) опасное (пропуск со стороны системы контроля);

IV) опасное известное (форс-мажор);

V) опасное известное – нонсенс (несообразность), вероятность которого пренебрежимо мала.

Каждое из событий Sij характеризуется соответствующей вероятностью:

1) вероятность Р11 = Р(S11) = Р(АαАγ) – когда поступает информация о допустимом состоянии х, и фактическое его значение хф допустимо;

2) вероятности Р21 = Р(S21) = Р(АαСγ) и Р22 = Р(S22) = Р(АαВγ) – когда значение хф находится в допустимой области, а система контроля фиксирует недопустимое значение;

3) вероятности Р31 = Р(S31) = Р(СαАγ) и Р32 = Р(S32) = Р(ВαАγ) – значение хф находится вне допустимой области, но система контроля подает сигнал о допустимом состоянии объекта;

4) вероятности Р41 = Р(S41) = Р(СαСγ) и Р42 = Р(S42) = Р(ВαВγ) – значение хф находится вне области допустимых состояний, одновременно система контроля подтверждает это состояние;

5) вероятности Р51 = Р(S51) = Р(СαВγ) и Р52 = Р(S52) = Р(ВαСγ) – значение хф находится вне области допустимых состояний, например по минимуму (максимуму), а система контроля показывает, что объект находится в недопустимой области, но с противоположной стороны – максимальной (минимальной).

Совокупность Рij (; j = 1,2) образует полную группу несовместных событий, т. е. .

Событие (АαАγ) соответствует правильному анализу состояния системы, а вероятность Р11 характеризует безопасное ее состояние, при котором осуществляется основная цель динамической системы. Если же осуществляются такой контроль и управление, при которых наступают события S21, S22, S31, S32, S41, S42, S51, S52, то цель, поставленная перед управляющей системой, не выполняется, так как возникают неоправданные (лишние) затраты потенциала θ = (E,J,m) по управлению. Эти состояния характеризуются потерями и называются опасными.

В качестве основных интегральных характеристик невыполнения цели, т. е. риска, будем рассматривать вероятности событий (S21, S22), (S31, S32), (S41, S42), (S51, S52):


Р2 = Р(S21 S22) = Р(S21) + Р(S22),

Р3 = Р(S31 S32) = Р(S31) + Р(S32),

Р4 = Р(S41 S42) = Р(S41) + Р(S42),

Р5 = Р(S51 S52) = Р(S51) + Р(S52).


В дальнейшем из рассмотрения можно исключить ситуации, характеризуемые вероятностью Р4, когда система контроля нам указывает на критическую ситуацию, но мы не имеем в своем распоряжении управления, способного возвратить в область безопасных состояний.

Система контроля, для которой события S51 или S52 теоретически осуществимы, порождает измеренные случайные величины или процессы, когда хф находится в области (хф < ), а измеренное значение хизм – в области (хизм > ) (рис. 1.41, здесь φ(·) – плотность распределения) или наоборот.


Рис. 1.41


Если учитывать физическую нереализуемость такого контроля, то события S51 и S52 невозможны.

На примере вероятностей Р2, Р3, которые наиболее важны при оценке риска динамической системы, рассмотрим построение математической модели, позволяющей получить численную оценку вероятностей Р2 и Р3. Для вероятностей Р1, Р4, Р5 все выводы аналогичны и не представляют труда.

1.6.3. Интегральные показатели вероятностей рисков и безопасности

В качестве основных интегральных характеристик невыполнения цели будем рассматривать величины вероятностей событий (АαВ'γ), (B'αAγ):


P2 = P(AαB'γ) = P(Aα)Р(B'γ | Aα);

P3 = P(B'αAγ) = P(B'α)Р(Aγ | В'α),


где В' = (Bγ Сγ), В'α = (Cα Bα).

Вероятность Р2 характеризует появление ложной информации, поэтому назовем ее вероятностью ложной оценки состояния, а Р(В'γ | Аα) = Р'2 – условной вероятностью ложной оценки состояния.

Вероятность Р3 характеризует такое состояние, при котором превышение х значения хкр не фиксируется в процессе контроля или оценки параметра х. Эту вероятность назовем вероятностью опасной ситуации, а P (Aγ | В'α) = Р'3 – условной вероятностью опасной ситуации. Вероятности Р2 и Р3 включают Р'2, Р'3, которые не зависят от характеристик средств оценки или контроля и поэтому при анализе и синтезе системы контроля могут не рассматриваться. Однако это необходимо учитывать при назначении допустимых значений Р2, Р3, Р'2, Р'3. При этом Р2 и Р3 отличаются от Р'2, Р'3 на постоянные величины.

Запишем вероятности Р2 и Р3 в явном виде и выразим их через xн, xв, , и плотности распределения вероятностей случайных величин α и γ. Вероятность



Воспользуемся дистрибутивными свойствами символов ∩ и . Обозначим



Тогда для Р2 имеем:



Рассмотрим каждое из пересечений отдельно. Рассмотрим область на плоскости:



Так как α и β – случайные независимые величины, то область их значений можно изобразить так. Обозначая реализацию α через x, а реализацию β – через y, получим ситуацию, изображенную на рис. 1.42 в виде области G1. Аналогично рис. 1.43–1.47:




Рис. 1.42


Рис. 1.43


Рис. 1.44


Рис. 1.45


Рис. 1.46


Рис. 1.47


Используя равенства (1.6), несовместность α и β, независимость А, В, С и несовместимость D, K, получим



где



φα(x) – плотность вероятностей случайной величины α, φβ(y) – плотность вероятностей случайной величины β;



Таким образом, Р2 есть сумма двух вероятностей, одна из которых обусловлена событиями D, вторая – событиями K. Отметим, что полученное выражение справедливо для двустороннего ограничения индикатора х, подлежащего контролю и ограничению, когда измеренная величина хизм, с учетом погрешностей δх, удовлетворяет D или K.

Окончательно,



Из теории вероятностей известно, что



где Fβ(x) – функция распределения случайной величины β; Rβ(x) – дополнительная функция распределения случайной величины β. Тогда формулу (1.7) можно переписать в следующем виде:



Перейдем к вычислению вероятности P3:



Таким образом,



Если параметры подчинены односторонним ограничениям, то, согласно формулам (1.8) и (1.9), вероятности событий (AαBγ) и (AγB'α) вычисляются следующим образом. В случае одностороннего ограничения сверху можно считать, что xн и → ∞, тогда Fβ(–∞) = 0:



В случае одностороннего ограничения снизу можно считать, что xв, → +∞, и тогда



Аналогично, если xн, → +∞, то



Если xв, → +∞, то



Часто при практических расчетах удобно использовать не φα(x), а , где Δх = хф хн. В этом случае для индикатора, подлежащего ограничению снизу, получаем:



где W(t, Δx, δx) – совместная плотность распределения случайных процессов Δx, δx в момент времени t; xn = xкдоп.

Вид подынтегральной функции выражений (1.11), (1.12) либо (1.13), (1.14) и основные факторы, подлежащие учету при ее формировании, определяются объектами или подсистемами анализируемой системы и их режимом работы, а также множеством других параметров и факторов. При этом погрешность δx, как правило, не оказывает влияния на величину отклонения от номинального режима Δx. Это обстоятельство есть допущение, которое каждый раз необходимо проверять.

С учетом сказанного выше, при практических расчетах вероятностей Pi зависимостью между погрешностями измерения δx и величинами отклонения параметров Δx от номинального режима можно пренебречь. В результате



где Δ = xдоп xн; Δ1 = xn xн – Δx.

На рис. 1.48 представлена геометрическая интерпретация событий, соответствующих вероятностям P2 и P3, определяемым в случае, когда ограничение сверху.


Рис. 1.48


Из последних соотношений следует, что вероятности Р3 и Р2 зависят от плотностей распределения W1x) отклонений x от номинальных значений xн, пороговых xn и допустимых xдоп значений параметров, плотности распределения суммарной погрешности W2x). В случае одностороннего ограничения Р3 представляет вероятность попадания точки (Δx, δx) в область G1, ограниченную прямыми Δx = а = xдоп xн и δx = xn xн – Δx (рис. 1.49). Величина δx изменяется от –∞ до b = xn xн. Вероятность попадания точки (Δx, δx) в область G2 представляет собой Р2.

Случай двустороннего ограничения параметров представлен на рис. 1.50. При этом Р3 представляет вероятность попадания точки с координатами (Δx, δx) в области G1 и G3 одновременно, а вероятность Р2 – попадание (Δx, δx) в области G2, G4 одновременно.

Если Р3 и Р2 удовлетворяют допустимым или нормативным значениям Рдоп, то система способна выполнять поставленную перед ней цель. Если, например, Р3 > Р3доп, то необходимо принимать решение об изменении, в том числе уменьшении границ пороговых значений xn.


Рис. 1.49


Рис. 1.50


Страницы книги >> Предыдущая | 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | Следующая
  • 0 Оценок: 0

Правообладателям!

Данное произведение размещено по согласованию с ООО "ЛитРес" (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.

Читателям!

Оплатили, но не знаете что делать дальше?


Популярные книги за неделю


Рекомендации