CC BY
47
УДК 62-192:629.5
О.А. Белов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ СУДНА КАК СЛОЖНОЙ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Общей задачей проектирования и эксплуатации сложных организационно-технических систем является обеспечение их безопасности. Решение этой задачи требует системного подхода, и наряду с конструктивно-технологическими мероприятиями важное значения имеют анализ и контроль безопасности в период технической эксплуатации. Современное судно является сложной организационно-технической системой, и обеспечение его безопасности связано с рядом аспектов. Научный аспект безопасности судов связан с разработкой новых методов исследования и оценки безопасности, позволяющих своевременно предотвратить возникновение и развитие опасной ситуации. Технические аспекты безопасности связаны с обеспечением надежности и живучести системы, а также организацией оптимального технического обслуживания ее элементов. Учитывая важность человеческого фактора с точки зрения безопасности системы, необходимы анализ и контроль эргономических факторов. Особое место в этом направлении занимает профессиональная подготовка оператора и создание эффективных экспертных систем. Экономические последствия и значимость ущерба от аварий и катастроф подтверждают актуальность совершенствования безопасности сложных организационно-технических систем, в том числе за счет своевременного финансирования противоаварийных мероприятий.
Ключевые слова: организационно-техническая система, безопасность, человеческий фактор, аварийная ситуация, опасное состояние, конструктивные мероприятия, профессиональная подготовка, эффективность, уровень готовности.
O.A. Belov (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) The methodology of analysis and monitoring of ship safety as difficult technical-organizational system
The general problem of projection and operation of difficult technical-organizational system is guarantee of their safety. The solution of this problem demands systems approach. The analysis and monitoring of safety at the period of technical maintenance have importance meaning along with constructive-technological measures. The modern ship is also difficult technical-organizational system and the guarantee of its safety is concerned with a number of aspects. The scientific aspect of the ship safety connects with working out new methods of research and safety estimation, permitting to prevent the occurrence and development of the dangerous situation in proper time. The technical aspects of safety are concerned with guarantee of system reliability and survivorship, as well organization of optimal maintenance of its elements. Taking into account the importance of human factor in the point of view of system safety, it is necessary to conduct analysis and monitoring of ergonomic factors. The training of operator and creation of effective expert system hold the special place in this aspect. Economic consequence and amount of catastrophe detriment corroborate the urgency of perfection of difficult technical-organizational system safety which can be made at the expense of opportune financing of anti-damage measures.
Key words: technical-organizational system, safety, human factor, contingency, dangerous state, constructive measures, training, efficacy, level of readiness.
DOI: 10.17217/2079-0333-2015-34-12-18
Введение
Снижение аварийности и повышение безопасности всегда было одним из ведущих мотивов при создании кораблей и судов. Однако, несмотря на высокий уровень их конструктивной надежности, продолжают происходить морские катастрофы с человеческими жертвами. Примера-
ми этого являются катастрофы с такими высоконадежными техническими системами, как АПЛ «Комсомолец», «Курск», К-159 и другие менее значимые аварии, не получившие большого общественного резонанса. Кроме риска для жизни человека, с авариями и гибелью кораблей и судов связаны огромные экономические потери и социальные проблемы.
Обеспечение безопасности сложных организационно-технических систем является предметом специальных научных исследований [1]. Эта задача стоит перед проектировщиками и строителями судов, а также перед эксплуатирующими их организациями. Сложность проблемы заключается в том, что судно может быть построено в полном соответствии с существующими требованиями, но, тем не менее, попасть в катастрофу, так как обстоятельства, явившиеся причиной аварии, не были и не могли быть предусмотрены. Снижение риска в использовании судов по назначению может быть достигнуто только на основании системного подхода. Обеспечение безопасности судов представляет собой сложную и многогранную проблему, включающую в себя научные, технические, эргономические и экономические аспекты.
Научный аспект обеспечения безопасности
В настоящее время проблеме безопасности и аварийности, а также отдельным ее аспектам посвящено много работ. Например, в монографии И.А. Рябинина [2] приведен список, состоящий из 170 работ. В большей части они посвящены научному аспекту безопасности, перед которым стоит задача разработки теории безопасности ответственных объектов и технических систем. Первоочередной задачей теории является разработка методов количественной оценки риска возникновения той или иной аварии и прогнозирование ее возможных последствий. Наиболее трудным препятствием на пути создания этой теории является огромный перечень всех ситуаций, которые могут привести техническую систему в опасное состояние, и малый объем статистического материала. Несмотря на это, ведутся активные исследования по теории безопасности, научный аспект которой направлен на разработку следующих основных положений:
- методов исследования аварийных ситуаций,
- методов моделирования опасных ситуаций,
- критериев и норм безопасности,
- методов оценки уровней безопасности,
- оптимизация структуры организационно-технических систем по критерию безопасности.
Среди методов исследования аварийных ситуаций наиболее разработанными являются методы, основанные на теории графов и алгебры логики [3]. Сущность этих методов заключается в том, что на основе тщательного и конкретного анализа объекта и физики воздействия на него неблагоприятных факторов определяются все возможные опасные состояния системы, затем выявляются причины, которые могут привести к катастрофе. По каждому опасному состоянию ведется анализ отказов ее конструктивных элементов или цепочки отказов до тех пор, пока не будет найден выход из строя конкретного узла, инициирующего отказ элемента. В результате такого подхода строятся так называемое дерево отказов или логические функции.
Для практического использования этих методов исследования аварийных ситуаций необходимо максимально конкретизировать и сформулировать суть опасного состояния, ограничить объект исследования разумными пределами, использовать строгую логику и тщательность перебора возможных ситуаций для составления сценария развития событий, переводящих систему в опасное состояние. Такой анализ можно вести как «снизу вв ерх», то есть от опасного состояния до инициирующего события, так и «сверху вниз» - от первоначальной причины к опасному состоянию.
Для моделирования опасного состояния, как правило, используются графоаналитические, вероятностные и логико-вероятностные модели. Они позволяют объективно выявлять наиболее опасные объекты, причины возникновения опасных ситуаций, условия, влияющие на дальнейшее развитие событий в опасном направлении, характер развития событий во времени, и другие обстоятельства, способные повлиять на безопасность людей. Наиболее эффективными для использования являются логико-вероятностные модели, пригодные не только для технических, но и для организационно-технических систем.
Моделирование всегда сопряжено с необходимостью использования большого объема статистического материала. Основу большинства моделей составляют первоначальные, редкие события, не поддающиеся учету (нарушение правил эксплуатации, курение в неположенных мес-
тах и пр.), поэтому возникает проблема количественной оценки частоты возникновения перво-причинных событий и условий их появления. Эта проблема требует решения для определения факторов, подлежащих приоритетному учету.
Количественная оценка уровня безопасности осуществляется с помощью критериев опасности и норм безопасности, основанных на понятии риска. Оценка риска или его последствий осуществляется расчетным путем в наиболее приемлемых единицах, например, таких как число человеческих жертв, экологический ущерб, или в вероятностной форме. Несмотря на то, что исследователи относительно недавно обратились к проблеме безопасности, имеются количественные оценки риска в тех или иных условиях. Например, в работе [1] приведены масштабы риска смерти, измеряемые в человеко-часах в земных условиях: от естественной среды обитания -(1^2)10 12 до спортивных автогонок - (5^10)10 4 человек в час, в том числе для рыболовных судов - (5^10)-10 7 человек в час.
В монографии [2] приводятся данные по потерям судов и рекомендуются для использования в расчетах следующие средние значения аварий различных категорий:
- столкновения судов - 10,3%,
- посадка на грунт - 33,1%,
- опрокидывания - 38,9%,
- пожары и взрывы - 17,7%.
В работе [4] приведена интенсивность различных аварий на судне из-за возможных происшествий за год:
- морские происшествия - 5,910 5 1/сут,
- пожары - 5,110-5 1 /сут,
- затопления помещений - 910 5 1/сут,
- отказы технических средств - 7,6-10 4 1/сут.
В инженерном плане для измерения риска часто рекомендуется использовать вычисление вероятности возникновения ущерба большого масштаба или математическое ожидание этого ущерба. Решение вероятностных задач должно сопровождаться большим статистическим материалом, который зачастую отсутствует, а при небольшой выборке может приводить к определенным расхождениям результатов. Однако они позволяют дать нижние оценки вероятности предотвращения опасности и выработать рекомендации, защищающие системы от попадания в опасное состояние, а также найти наиболее эффективные средства защиты в чрезвычайных ситуациях.
Завершая анализ научного аспекта безопасности, следует подчеркнуть, что появление чрезвычайных ситуаций не может носить массовый характер, не поддается экспериментальной проверке и имеет характер существенной неопределенности. Теория безопасности должна опираться на такой аппарат, который служит не столько для определения математической меры безопасности, сколько помогает найти конкретные практические меры защиты от попадания системы в опасные состояния.
Технический аспект обеспечения безопасности
Технический аспект обеспечения безопасности связан с конструктивными мероприятиями, закладываемыми в процессе проектирования и строительства судна, и с техническим обслуживанием и ремонтом судна, проводимыми в процессе эксплуатации.
Конструктивные мероприятия обеспечивают главные составляющие безопасности - надежность и живучесть сложной технической системы.
Разработанная к настоящему времени теория надежности позволяет создавать высоконадежные технические устройства и системы путем повышения надежности отдельных элементов, составляющих систему, за счет введения структурной и временной избыточности, применения взаимозаменяемости и восстановления, а также иных мер, гарантирующих отказоустойчивость систем. В настоящее время для технических средств судовой электроэнергетической системы как наиболее ответственного оборудования вероятность безотказной работы за 3000 часов составляет Р = 0,971, а для остального судового оборудования в среднем Р = 0,929.
Созданы руководящие документы по расчету надежности и экспериментальные стенды для проведения испытаний. Однако именно для сложных технических систем могут возникнуть необычные сочетания событий, вероятность каждого из которых мала, но при их совместном маловероятном возникновении наступает критический момент, приводящий систему в опасное состояние.
Усилия, направленные на повышение надежности при проектировании, необходимы, но они не всегда обеспечивают безопасность. В процессе эксплуатации происходит естественное старение и износ механизмов и узлов, отказы отдельных элементов [5]. Для поддержания корабля в технической и боевой готовности предусматриваются техническое обслуживание и ремонт, а также модернизация с внедрением новых определенных конструктивных решений, направленных на повышение надежности и живучести. Соотношение указанных факторов в системе безопасности представлено на рис. 1.
Техническое обслуживание представляет собой комплекс организационно-технических мероприятий, выполняемых в основном силами экипажа. Оно проводится с целью:
- поддержания технических средств для постоянной готовности к действию;
- своевременного выявления и устранения неисправностей;
- предупреждения преждевременного износа узлов и деталей механизмов;
- поддержания параметров работы и характеристик технических средств в установленных нормах между плановыми ремонтами.
Современный уровень развития корабельных технических средств и средств диагностирования свидетельствует о возможности применения (по отдельности или в различных комбинациях) следующих принципиально отличных стратегий технического обслуживания и ремонта:
- по календарному плану и наработке;
- по уровню надежности;
- по отказу;
- по состоянию;
- смешанной многоуровневой стратегии.
В настоящее время используется в основном стратегия технического обслуживания и ремонта по календарному плану и наработке, а для некоторых механизмов и узлов - по отказу. Она основана в целом на инструкциях по планово-предупредительным осмотрам и ремонтам технических средств судна и на инструкциях по эксплуатации для отдельно взятого судового узла и механизма. Основными положениями данных инструкций определена периодичность, виды и объем осмотров и ремонтов, организация и сроки их проведения.
Основная нагрузка на выявление предотказного состояния технических средств ложится на практический опыт обслуживающего персонала. Как правило, все инструкции по эксплуатации имеют в своем составе так называемые перечни наиболее часто встречающихся или возможных неисправностей, в которых описаны внешние проявления и дополнительные признаки неисправностей, вероятностные причины и возможные методы их устранения. Однако для современной сложной судовой техники подобных указаний часто бывает недостаточно при обеспечении ее безопасного функционирования.
Рис. 1. Соотношение свойств надежности, живучести и безопасности сложной технической системы
Анализ опыта эксплуатации судового электрооборудования показывает, что стратегия технического обслуживания по календарному плану и наработке приводит к значительному перерасходу трудовых и материальных ресурсов. Причем выполнение заранее назначенного объема работ в установленные сроки для большинства сложных изделий не уменьшает вероятность возникновения отказов, а для некоторого оборудования, например, для сложных объектов судовой автоматики, увеличивает поток послеремонтных отказов.
Одним из направлений повышения эффективности контроля технического состояния суд о-вого оборудования является переход к стратегии обслуживания технических средств по их фактическому состоянию. В ее основе лежит совокупность правил по диагностированию и прогнозированию технического состояния и остаточного ресурса механизмов и узлов, базирующаяся на теории, методах и средствах технической диагностики. Задачами стратегии являются: оценка работоспособности технических средств, поиск неисправностей элементов и узлов, а также прогнозирование их технического состояния.
Для перевода на систему технического обслуживания и ремонта по состоянию суда должны быть:
- оснащены комплектом универсальных средств диагностирования и неразрушающего контроля с инструкциями по контролю исправности, наладке, настройке и использованию по назначению;
- снабжены нормативно-технической документацией или технологическими инструкциями с методиками контроля состояния оборудования средствами диагностирования;
- укомплектованы специалистами, прошедшими подготовку по использованию средств диагностирования, которые применяются для технического обслуживания и ремонта.
Эргономический аспект обеспечения безопасности
Эргономический аспект обеспечения безопасности охватывает все стороны функционирования сложной организационно-технической системы: обслуживающий персонал, судовые технические средства, внешнюю среду. Ввиду того что обслуживающий персонал участвует на всех этапах использования судна по назначению, наиболее остро вопросы обеспечения безопасности силами персонала проявляются в случаях нарушения работоспособности оборудования и отказов отдельных его элементов, а также незапланированного изменения условий внешней среды, грозящих привести к опасной ситуации. Обслуживающий персонал в этих условиях является звеном последовательной цепи управления в опасной ситуации, и сбой в его работе усугубляет опасность в значительной степени [6].
Учет человеческого фактора для обеспечения безопасности связан с решением следующих основных задач:
- эргономическое обеспечение разработки безопасных человеко-машинных систем;
- эргономические аспекты обеспечения безопасных действий в чрезвычайных ситуациях;
- профессиональный отбор и подготовка персонала по безопасности в учебных заведениях, на тренажерах, на кораблях.
Учет эргономических факторов осуществляется при эргономическом проектировании сложных организационно-технических систем, под которым понимается решение всего комплекса вопросов, связанных с включением человека в ту или иную систему управления. Основными задачами эргономического проектирования являются: формулировка назначения системы управления и возлагаемых на нее функций, определение рациональной степени автоматизации управления, то есть определение рационального распределения функций между человеком и машиной и разработка алгоритмов деятельности управленческого персонала. В настоящее время эргономика в основном прошла стадию научного развития, которая позволила дать количественную оценку различным характеристикам оператора: надежности, быстродействия, вероятности безошибочного выполнения операций и т. д.
Более сложными и недостаточно исследованными вопросами являются эргономические аспекты обеспечения безопасных и безошибочных действий оператора в чрезвычайных и аварийных ситуациях. На долю человеческого фактора приходится от 50 до 80% всех отказов сложных технических систем. При возникновении аварийной ситуации даже опытному оператору необходим период адаптации, что приводит к запаздыванию принятия решений и управляющих воздействий. Кроме того, развитие аномальных ситуаций происходит в сторону ухудшения с такой скоростью, при которой оператор не может справиться с переработкой информации для
принятия правильного решения, а его стрессовое состояние не позволяет ему правильно оценить ситуацию и найти первопричину, то есть инициирующее событие. Поэтому весьма актуальным является вопрос создания системы интеллектуальной или информационной поддержки оператора на базе цифровой вычислительной техники, работающей в диалоговом режиме как советчик оператора. Методы и средства искусственного интеллекта сделали возможным создание систем, в которых информация о текущих параметрах рабочих процессов в механизмах, устройствах и аппаратах проходит обработку и поступает на видеоконтрольные терминалы в форме, удобной для принятия решения, а именно:
- обобщенная оценка текущего состояния;
- первопричина аварийной ситуации;
- рекомендации обслуживающему персоналу;
- оперативный прогноз развития событий.
Однако создание экспертных систем требует более углубленного анализа эргономического аспекта безопасности. В настоящее время проектировщики систем «человек -машина» почти не располагают исходными данными о деятельности человека в диалоговых компьютеризированных системах, у них отсутствуют интегральные критерии оценки правильности действия оператора, выбора оптимальной степени автоматизации и т. д.
Эргономические аспекты обеспечения безопасной деятельности оператора неразрывно связаны с профессиональным отбором и подготовкой обслуживающего персонала. Необходимость профессионального психологического отбора обусловлена высокими требованиями к способностям человека при включении его в сложную техническую систему «человек-судно», а также значимостью ошибок, допущенных в процессе аварии.
Экономический аспект обеспечения безопасности
Опасность нельзя понимать как что-то ненормальное, случайное. В практической деятельности людей изначально существует потенциальная опасность, которая обуславливается неявным, неочевидным характером ее проявления при определенных, иногда трудно предсказуемых усл о-виях. Международная статистика свидетельствует, что экономический ущерб от аварий, несчастных случаев и катастроф достигает 8-15% от национального дохода страны, что составляет значительную сумму в денежном выражении. В то же время исследования по оценке риска аварий также весьма дороги. Например, вероятностный анализ риска конкретной атомной электростанции в США требует затрат до двух миллионов. Отсюда возникает экономический аспект проблемы безопасности.
Следуя [7], рассмотрим пример повышения безопасности некоторого гипотетического устройства. На рис. 2 представлены возможные изменения строительных и эксплуатационных затрат (кривая 1), а также экономический эффект использования дополнительного устройства для обеспечения снижения риска для человеческой жизни.
Стоимость
Рис. 2. Экономический эффект использования средств безопасности
На некотором интервале с ростом безопасности устройства доход от его эксплуатации (кривая 2) будет увеличиваться. Это можно объяснить возрастающей надежностью, сокращением простоев и затрат на ликвидацию экономических последствий аварий. Однако существует предел, при достижении которого доход не может перекрыть затраты. Прибыль сокращается, возможны даже убытки.
Таким образом, меры, направленные на повышение безопасности, могут рассматриваться в следующих экономических ситуациях (рис. 2): А - увеличение прибыли, В - уменьшение прибыли, С - возрастание убытков.
В интервале, обозначенном буквой А, решение о принятии конкретных технических решений с целью уменьшения риска не связано с какими-либо трудностями. В более трудном положении находятся лица, принимающие решения в ситуациях В и С, так как цена риска может оцениваться в том числе и в человеческих жизнях.
Обеспечение безопасности достигается за счет увеличения затрат на проектирование и строительство судов, эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт, на подготовку обслуживающего персонала. Статистика показывает, что при десятилетнем сроке эксплуатации на техническое обслуживание электрооборудования судов необходимо затратить в 10 раз больше финансовых средств, чем на его проектирование. Это говорит о том, что гораздо эффективнее закладывать основы безопасности и надежности в конструкцию при проектировании, чем ожидать, пока оборудование откажет, и производить ремонт.
Заключение
Таким образом, несмотря на достаточно малый период пристального внимания к проблемам безаварийности и безопасности, к настоящему времени развиты различные методы снижения опасности эксплуатации и длительного хранения сложных организационно-технических систем. Они решают эти проблемы с научной, технической, эргономической и экономической точек зрения. Однако большинство из них должно быть направлено на обеспечение безопасности будущих проектируемых и строящихся судов. Для судов, находящихся в эксплуатации, решение этих проблем возможно за счет качественного анализа и контроля безопасности, основанного на реализации организационно-технических мероприятий, технического обслуживания и ремонта, обучения и подготовки обслуживающего персонала.
Литература
1. Половко А.М. Надежность, живучесть и безопасность технических систем. - Л.: Знание, 1992. - 240 с.
2. Рябинин И.А., Парфенов Ю.М. Надежность, живучесть и безопасность корабельных электроэнергетических систем. - СПб.: ВМА, 1997. - 430 с.
3. МожаевА.С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности сложных систем. -Л.: ВМА, 1988. - 67 с.
4. Северцев П.А. Надежность сложных систем в эксплуатации при наработке. - М.: Высшая школа, 1989. - 428 с.
5. Белов О.А. Методология оценки технического состояния электрооборудования при развитии параметрических отказов // Вестник АГТУ. Серия «Морская техника и технология». -2015.- № 3. - С. 96-102.
6. Белов О.А. Оценка технической готовности системы с учетом влияния человеческого фактора // Вестник КамчатГТУ. - 2014. - Вып. 30. - С. 11-16.
7. Хенли Э.Д., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска. - М.: Машиностроение, 1984. - 528 с.
Информация об авторе Information about author
Белов Олег Александрович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; кандидат технических наук; заведующий кафедрой электро- и радиооборудования судов; [email protected]
Belov Oleg Aleksandrovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Petropavlovsk-KamchatskY, Russia; Candidate of technical sciences; Head of Electro- and radioequipment of ships chair; [email protected]
