МЕТОД ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРИРОВАННОГО РИСКА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 380/220 В Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 651.34

МЕТОД ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕГРИРОВАННОГО РИСКА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 380/220 В

О.К. Никольский, Н.П. Воробьев, Н.И. Черкасова, А.Ф. Костюков

Рассмотрен новый подход к оценке техногенным риском применительно к электроустановкам зданий и сооружений. Дано обоснование структуры аналитической сети для управления интегрированным риском R^ человеко-машинной системы. Сформирован перечень рискообразующих факторов, установлены их частоты и приведена лингвистическая оценка. Изложены принципы построения имитационной модели (Ч-ЭУ-С).

Ключевые слова: риск, электроустановка, человеко-машинная система, имитационная модель.

Оценка и прогнозирование интегрированного риска электрохозяйства АПК представляет важную задачу стратегического управления техногенной безопасности отрасли.

Целью данного исследования является разработка на основе применения нечеткой логики [1] модели ранжирования рискообразующих факторов (РФ) системы (Ч-ЭУ-С) для определения риска и его сопоставление с нормативным значением для принятия соответствующих мер по снижению техногенной опасности.

Рассмотрим человеко-машинную систему на примере модели (человек-электроустановка - среда - «Ч-ЭУ-С»). Руководствуясь энергоэнтропийной концепцией техногенного риска [2], будем считать, что каждый компонент системы (Ч-ЭУ-С) обладает своей потенциальной опасностью. Так, функционирование электроустановки (ЭУ) связано с выработкой, потреблением, хранением и преобразованием энергии. В процессе эксплуатации ЭУ возможно неконтролируемое высвобождение накопленных потоков электрической энергии с последующим разрушительным ее распространением. Поэтому ЭУ является источником возникновения отказов и последующего развития аварий и несчастных случаев.

Человек (персонал, население) также является источником возникновения опасных инициирующих событий, проявляющихся в виде ошибок, невнимании, низкой квалификации, технической безграмотности и т.д.

Среда как компонент системы (Ч-ЭУ-С) также может представлять опасность вследствие превышения нагрузки рискообразую-щих факторов (например, параметров микроклимата сельскохозяйственных помещений)

сверхнормативных значений, возникновение нештатных ситуаций и т.д.

В самом общем виде функционирование системы (Ч-ЭУ-С) можно свести к нахождению точечных (или интервальных) значений зависимости между оценками рискообразую-щих факторов и интегрированных риском [3], т.е.

R I = F [ Г1 , Г2 , - ^ ) , (1)

где г1, г2, ... гк - формализованные оценки рискообразующих факторов (частные риски).

В свою очередь

п

R I =£ Р1У1 , (2)

1

если имеет место п опасных событий i в ЭУ с различными вероятностями p¡ и соответствующим им ущербом у, в течение заданного времени Т. Здесь интегрированный риск электроустановки представляет собой мультипликативную характеристику, отражающую как вероятности возникновения техногенных опасностей поражающего, вред-нодействующего и деструктивного характера, так и их последствий, выраженных в денежном эквиваленте.

Остановимся на методах оценки составляющих выражения (2).

В общем случае вероятность опасности ЭУ можно представить в виде суммы вероятности возникновения ряда опасных несовместных событий:

р1 - вероятность отказа электроустановки;

р2 - вероятность возникновения электротравмы;

р3 - вероятность пожара.

Ограничимся рассмотрением трех основных событий; при необходимости перечень опасных событий (ОС) может быть увеличен (например, вероятности возникновения вредного воздействия электрического тока на организм животного, вызывающего электропатологию [4] и т.д.)

В свою очередь вероятность, например, электротравмы человека может быть представлена в виде произведения вероятностей следующих совместных событий:

рэт ~ рпроб^рприк •рнеот^рнеис. , (3)

где рпроб - вероятность возникновения пробоя изоляции; рприк - вероятность прикосновения к токопроводящей конструкции электроустановки, оказавшейся под опасным напряжением; рнеот - вероятность возникновения эффекта неотпускания, проявляющегося в невозможности самостоятельно разжать ладонь, охватывающую токоведущий контакт; рнеис - вероятность неисправности (или отсутствия электрической защиты).

Отметим, что аналогичные зависимости могут быть получены применительно к любому техногенному опасному событию электроустановки.

В настоящее время значительное число работ, посвященных вероятностному анализу электроустановок (Якобс А.И., Никольский О.К., Коструба С.И., Сошников А.А., Дробязко О.Н., Еремина Т.В. и др.). Однако при определении рэт (как, впрочем, вероятности возникновения аварии, пожара и т.д.) возникает основная проблема, связанная с отсутствием или недостаточностью исходных данных, их неточности и неопределенности. Поэтому при проведении расчетов, например, определение показателей пожарного риска, применяют среднестатистические данные по отрасли, вводят весьма серьезные допущения, что отражается на точности получаемых результатов. Кроме того, эти допущения нивелируют специфические особенности отдельных объектов и применяемые технологии. Такой подход не позволяет учитывать отдельные причины возникновения аварий электроустановок и соответственно рекомендовать адекватные меры безопасности. Поэтому действующие нормативные документы [5,6], наряду с применением количественных оценок опасности, рекомендуют иные подходы анализа сложных систем [2].

Использование вероятностных оценок в качестве критериев безопасности электроустановок может привести к подмене их количественными показателями надежности

(наработка на отказ). Это в свою очередь ведет к упрощению сложных человеко-машинных систем и их замене упрощенными бинарными системами [7]. Примером тому может служить функционирование устройства электрической защиты, в основе которого лежит принцип двоичного исчисления (защита сработала - 0, отказ - 1).

Для определения второго множителя выражения (2) представим риск в виде интеграла

Т

R 2 =| F {Т)р {Т)dy , (4)

где F(Y) - весовая функция потерь, с помощью которой опасные техногенные последствия различной природы приводятся к единой (например, стоимостной) оценке ущерба;

р(^ - плотность распределения случайной величины Y (ущерба).

Тогда интегрированный риск электроустановки может рассматриваться как математическое ожидание причиняемых ущербов, т.е.

RI = М[П (5)

Определения материальных ущербов от аварий, несчастных случаев на производстве (без летального исхода) и пожаров при налаженной системе сбора статистических данных не вызывает каких-либо методических трудностей. Что касается расчета материальных (гуманитарных) потерь от гибели людей, связанных с электротравмами, можно рекомендовать методику (8), в основе которой лежит оценка стоимости среднестатистической жизни человека [9]. При этом следует различать как называемый предотвращенный материальный ущерб от электротравматизма после внедрения необходимых мер (системы безопасности электроустановок) и остаточный (неустраненный) ущерб, который может иметь место и после внедрения СЭБ:

{ЭТ ) у.

i = 1 1

^ред. = Т , (6)

¿М {ЭТ ) ост1у1 1=1

Yост. = -Т-, (7)

где М(ЭТ)пред{ и М{ЭТТ)ост . - мате"

матические ожидания соответственно числа I 161

предотвращенных и остаточных электротравм на множестве N электроустановок за время Т;

У; - средний ущерб от гибели одного работника в j-ом году рассматриваемого периода Т.

Рассмотрим гипотетическую совокупность рискообразующих факторов, определяющих уровень технического состояния электроустановок. В соответствии со структурой человеко-машинной системы выделим шесть кластеров (рис. 1).

Рисунок 1 - Структурная схема аналитической сети для оценки интегрированного риска

человеко-машинной системы (Ч-ЭЛ-С): А-законадательная нормативная база; Б-макроэкономические показатели; В - показатели

инновационной сферы.

Будем считать, что кластеры рискообра-зующих факторов характеризуются пятью градациями уровня очень малый, малый, средний, высокий и очень высокий. Учитывая, что природа всей совокупности рискообразующих факторов различна, их значимость и качество могут быть оценены с помощью балльно-лингвистической шкалы. Для семантического описания рискообразующих факторов введем в шкалу оценок понятия: «низкий», «средний» и «высокий», которые могут изменяться в зависимости от степени опасности того или иного фактора.

В соответствии с рис. 1 ниже приведен перечень наиболее существенных рискообразующих факторов компонентов системы (Ч - ЭУ - С), которые будут положены в основу построения имитационной модели. Отметим,

что представленный перечень, не претендуя на обобщенность, является в известной мере условным. Вместе с тем перечень компонентов рассматриваемой системы для большинства электроустановок сельскохозяйственного производства является достаточно типичным. При выполнении процедуры настройки имитационной модели (ИМ) представляется возможным учитывать отдельные особенности объектов, вводя соответствующие коррективы количественных характеристик ИМ в соответствии с имеющимися статистическими данными.

Для оценки интегрированного риска введем пятибалльную лингвистическую шкалу (табл. 1) с интервальными значениями согласно нормативно - технической документации [5,10,11].

Таблица 1- Балльно-лингвистическая шкала оценки риска

Вид ^ Характеристика риска Балл [ 0-10]

Очень малый Пренебрежительный - [1 (10-7-10-9)] 0

Малый Приемлемый (нормативный) - (110-6) 0,25

Средний Допустимый - [1 (10-4-10-5)] 0,5

Высокий Неприемлемый - [1(10-2-10-3)] 0,75

Очень высокий Катастрофический - [<1-10-2] 1,0

Рассмотрим систему электроснабжения сельских населенных пунктов (сельских поселений). При этом ограничимся воздушными и кабельными линиям напряжения 0,4 кВ с

заземленной нейтралью, питающих производственные и общественные здания и сооружения, частные дома и др. непосредственно от трансформаторных подстанций.

Сама система электроснабжения (СЭС) представляет электропроводку, предназначенную для транспортировки и поставки электроэнергии непосредственно приемникам, главный распределительный электрощит - распределительное устройство, электрические щитки, содержащие коммутационную и защитную аппаратуру, сети освещения.

В рамках рис. 2 рассмотрим следующие понятия:

Авария - разрушение (частичное или полное) элементов и узлов электроустановки, приводящее к перерывам электроснабжения потребителей. Авария ЭУ может также сопровождаться несчастным случаем и (или) пожаром.

Несчастный случай, связанный с электроустановкой - электротравма (поражение электрическим током). Будем различать электротравматизм:

- производственный - (электротехнический или неэлектротехнический персонал, который принимает непосредственные участия в обслуживании ЭУ);

- непроизводственный или бытовой электротравматизм имеет отношение к населению (индивидууму), которое практически обслуживает всю бытовую «электротехнику», в т.ч. информационно-технологическое оборудование.

В соответствии с [8] последствия электротравмы человека могут быть различными (электрический удар; частичная потеря трудоспособности - легкая степень; инвалидиза-ция - средняя степень, летальный исход).

Инцидент - неполадки, частичные разрушения узлов (конструкций) ЭУ, приводящие к отклонению от нормальных режимов электроснабжения потребителей, нарушение требований ПУЭ, ПТЭиБ и других нормативных документов. Для формирования процедуры принятия решения по оценке и управлению интегрированного риска электроустановки с учетом неопределенности исходных данных целесообразно использовать метод экспертных оценок и теорию нечетких множеств для построения логико-информационной модели, содержащей три основных этапа: выявления рискообразующих факторов и их лингвистическую оценку, возникновения опасной техногенной ситуации и определения ущерба.

В табл.2 представлено рассмотрение рискообразующих факторов компонентов системы (Ч - ЭУ - С) и внешней среды. В качестве числовой меры вероятности риска, выбраны значения, измеряющиеся от 0 до 1, с учетом весов, характеризующих рейтинг опасности РФ, расположенного по мере его

убывания. Числовая мера ущерба может быть выражена интервальным значением, измеряющимся от 0 до бесконечности.

Вероятности РФ оцениваются экспертно. Функцией принадлежности [12] риска задается нечеткое подмножество «рискообразую-щий фактор». Для формирования системы нечеткого вывода с целью установления степени опасности рискообразующих факторов введем следующее правило:

^[«1», «К», <^», «М», <^»], (8)

где ^ - функция принадлежности.

Логические операции (8) являются нечеткими, а входящие в правило утверждения, в соответствии с табл.1, имеют следующий смысл:

«I» - рискообразующий фактор имеет очень высокое значение (риск катастрофический);

«К» - фактор имеет высокое значение (риск неприемлемый);

- фактор имеет среднее значение (риск допустимый);

«М» - фактор имеет низкое значение (риск приемлемый);

- фактор имеет очень низкое значение (риск пренебрежительный).

Табл.2 содержит обоснование способа задания функции принадлежности лингвистических переменных с использованием трехуровневых шкал, учитывающих:

- надежность «человеческого фактора»;

- уязвимость электроустановки (свойство противостояния рискообразующим факторам);

-негативное влияние факторов среды;

- качество законодательных нормативных актов;

- качество макроэкономических показателей;

- качество инновационной среды.

Реализация приведенных принципов заложена в рассматриваемой имитационной модели. В частности, описанные рискообра-зующие факторы могут рассматриваться в ИМ как возмущения, которыми в зависимости от компонентов системы являются ошибки, казы, негативные воздействия среды. Причем, каждому рискообразующему фактору может быть присвоен соответствующий показатель частного риска г (1). Эти возмущения в соответствии с логикой ИМ выстраиваются в причинную цепь предпосылок, которая может прервана, например, сработала электрическая защита, персонал устранил ошибку, внештатная нагрузка среды нивелировалась.

Рисунок 2 - Структура имитационной модели функционирования системы (Ч-ЭУ-С) 164 ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 Т.1 2014

Таблица 2 - Рискообразующие факторы системы (Ч-ЭУ-С)

Компонент системы Код Наименование рискооб-разующего фактора Частота (вес) в совокупности причин возникновения рисков Лингвистическая оценка

Человек (персонал, населения) (Ч) Ч-01 Производственная дисциплина РЧ-01 низкая средняя высокая

Ч-02 Контроль за процессом производства РЧ-02 плохой средний хороший

Ч-03 Соблюдение безопасных приемов труда РЧ-03 плохое удовлетворительное хорошее

Ч-04 Уровень профессионализма РЧ-04 низкий средний высокий

Ч-05 Самообладание в экстремальных ситуациях РЧ-05 неудовлетворительное удовлетворительное хорошее

Ч-06 Ритмичность производства РЧ-06 низкая средняя высокая

Ч-07 Обученность действиям в нештатных ситуациях РЧ-07 неудовлетворительная удовлетворительная хорошая

Ч-08 Навыки выполнения работы РЧ-08 плохие средние хорошие

Ч-09 Выполнение технологического процесса РЧ-09 плохое удовлетворительное хорошее

Ч-10 Физическое состояние РЧ-10 плохое удовлетворительное хорошее

Ч-11 Психологические показатели РЧ-11 плохие удовлетворительные хорошие

Ч-12 Профессиональная мотивация РЧ-12 слабая удовлетворительная высокая

Электроустановка (ЭУ) Э-01 Возможность отказа (неисправности) мер электрической защиты РЭ-01 низкая средняя высокая

Э-02 Длительность воздействия опасных и вредно-действующих факторов РЭ-02 малая средняя большая

Э-03 Степень физического износа электропроводки и электрооборудования РЭ-03 низкая средняя высокая

Э-04 Наличие (укомплектованность) мер безопасности электроустановки РЭ-04 неудовлетворительное удовлетворительное хорошее

Э-05 Степень морального износа узлов электроустановки РЭ-05 низкая средняя высокая

Э-06 Уровень воздействия в системе источников опасных и вреднодей-ствующих факторов РЭ-06 низкий средний высокий

Э-07 Надежность (безотказность) узлов и конструкций электроустановки РЭ-07 низкая средняя высокая

Продолжение таблицы 2

Компонент системы Код Наименование рискооб-разующего фактора Частота (вес) в совокупности причин возникновения рисков Лингвистическая оценка

Среда (С) С-01 Качество текущего ремонта электротехнологического оборудования и электропроводки РС-01 плохое удовлетворительное хорошее

С-02 Возможность техногенных опасных воздействий рискообразующих факторов РС-02 низкая средняя высокая

С-03 Периодичность диагностики и технического состояния электроустановок РС-03 редкая эпизодическая достаточная

С-04 Уровень комфорности рабочей среды (по физи-ческо-химическим параметрам) РС-04 плохой средний хороший

С-05 Возможность техногенных вредных воздействий рискообразующих факторов РС-05 низкая средняя высокая

Законодательная и нормативная база (А) Степень соответствия качества федеральных нормативных документов современным требованиям техногенной безопасности электроустановок человеко-машинных систем

А-01 Нормативно-технологические документы (ПУЭ, ПТЭиБ, СНиПы, НПБ) РА-01 неудовлетворительная удовлетворительная хорошая

А-02 Федеральное законодательство (в т.ч. технические регламенты) РА-02 неудовлетворительная удовлетворительная хорошая

А-03 ГОСТы. Р РА-03 неудовлетворительная удовлетворительная хорошая

Макроэкономические показатели (Б) Б-01 Доступность инновационных ресурсов РБ-01 низкая удовлетворительная высокая

Б-02 Структурные изменения экономической политики в области охраны труда и безопасности производства (налоговая политика, ставки банковского кредита и т.д.) РБ-02 отрицательные удовлетворительные положительные

Б-03 Система планирования и контроля в области проектирования, монтажа и эксплуатации мер комплексной безопасности электроустановок РБ-03 плохая удовлетворительная хорошая

Инновационные показатели (В) В-01 Степень готовности выполненных разработок к внедрению РВ-01 низкая удовлетворительная хорошая

В-02 Объем текущих исследований и разработок (в т.ч. финансирование) РВ-02 неудовлетворительный удовлетворительный хороший

В-03 Наличие и качество концепций НИОКР РВ-03 отсутствует низкий удовлетворительный

Балльные и лингвистические оценки каждого рискообразующего фактора выбираются на основании анализа исходных данных, соотнося их с требованиями соответствующих нормативных документов. Для оценки их соответствия в табл. 1 предложена пятиуровневая балльная шкала интегрированного риска с их численным значением. Это позволяет полученные результаты расчета RI (их оценки) применительно к реальным объектам сравнивать с введенной шкалой риска, что является основанием принятия решения, касающаяся постановки задачи оптимизации системы безопасности электроустановок.

Для формализации исходных данных (статистика аварий и электротравматизм) по рискообразующим факторам использованы качественные оценки, опирающиеся на трехуровневую лингвистическую шкалу: например, к фактору «Производственная дисциплина» - «низкая», «средняя», «высокая», а к фактору «Уровень комфортности рабочей среды » - «плохой», «средний», «хороший». Всего в ИМ введено 33 рискообразующих факторов, что позволяет унифицировать качественные и количественные исходные данные для системы (Ч-ЭУ-С).

С помощью сформированной базы знаний экспертной системы представляется возможным провести корректировку исходной модели (1), что позволит настроить и применить ИМ для различных объектов, содержащих в общем случае различные электроустановки, обладающие имманентными свойствами.

Изложенная концепция экспертной системы может быть реализована в виде программного комплекса на числовом примере, что дает возможность взвешенно подойти к оценке мер техногенной безопасности производственного объекта.

При проведении расчетов рисков на реальных объектах численные значения в столбце 4 могут быть получены согласно статистики и анализа данных по авариям электроустановок, несчастных случаев от электропоражения и возникновения пожаров.

Выводы

1. Определение интегрированного риска электроустановки связано с оценкой частот (вероятностей) возникновения опасных техногенных событий в виде негативных воздействий электрического тока на человека и окружающую среду. Вероятность опасного события может быть оценена либо апостери-орно, с помощью статистических данных, ли-

бо априорно, позволяющего определить долю в общей совокупности причин возникновения опасности по каждому рискообразую-щему фактору.

2. В основе изложенного метода экспертной оценки R^ лежит ранжирование рисков, учитывающих отказы ЭУ, ошибки персонала (индивидуума) и неблагоприятные воздействия внешней среды, что позволяет прогнозировать возникновение техногенных опасностей и принять соответствующие меры по оптимизации интегрированного риска системы (Ч - ЭУ - С).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шеннон Р. Имитационное моделирование системы - искусство и наука. - М.: Мир, 1978, -418 с.

2. Белов П.Г. Теоретические основы системной инженерии безопасности-М.:ГНТП «Безопас-ностьМИБСТС.-1996.-424 с.

3. Никольский О.К., Воробьев Н.П. и др. Техническая диагностика и остаточный ресурс электроустановок :монография .Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова.-Барнаул, изд-во АлтГТУ, 2013.-207с.

4. Никольский О.К. Системы обеспечения электробезопасности в сельском хозяйстве.-Барнаул, Алт. кн. изд-во, 1977.-192 с.

5. РД 08-120-96. Методические рекомендации по проведению анализа риска опасных производственных объектов.

6. ГОСТ Р 51901.1-2002. Менеджмент риска. Анализ риска технологических систем.

7. Бендукидзе А.Д. Система исчисления. Квант, 1975.-№ 8.-С.59-61.

8. Еремина Т.В. Вероятностный анализ безопасности сельских электроустановок: моногра-фия.-Улан-Удэ, Изд-во ВСГТУ,2010.-200 с.

9. Легасов В.А., Демин В.Ф. и др. Дисконтирование и компромисс между поколениями. Проблема анализа риска,2005, Т.2.-№ 2.-С.114-131.

10. Федеральный закон Российской Федерации о пожарной безопасности № 123-ФЗ (Технический регламент «О требованиях пожарной безопасности»).

11. ГОСТ Р МЭК 60695-1-1-2003. Руководство по оценке пожарной опасности электротехнической продукции. Основные положения.

Черкасова Н.И. - Рубцовский индустриальный институт АлтГТУ им. И.И. Ползу-нова, зав. кафедрой «Электроэнергетика», к.т.н., доцент,

тел. (38557)5-98-75,

E-mail: 4ercas@bk.ru

Костюков А.Ф. - АлтГТУ им. И.И. Пол-зунова, докторант кафедры «Электрификация производства и быта», к.т.н.,

E-mail: elnis@inbox.ru,

тел. (3852) 36-71-29