Обоснование методики оценки риска аварий судоходного шлюза Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 626.4 Т. Ю. Нычик,

аспирант,

ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ РИСКА АВАРИЙ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА

METHODOLOGY JUSTIFICATION OF THE ACCIDENTS RISK ASSESSMENT FOR THE SHIPPING LOCK

В статье приводится обзорный анализ состояния и перспектив развития существующих подходов к оценке рисков аварий гидротехнических сооружений и предложены методики оценки рисков аварий, которые происходят в результате навала судов на ворота шлюзов. Предлагаемая методика базируется на анализе статистических данных. В основу выбранного математического аппарата для обеспечения методики положены методы теории вероятностей.

This article provides an overview of the status and prospects of the existing approaches to risk assessment of hydraulic structures accidents and offer risk assessment methods of accidents that occur as a result of impact of the ship on the lock-gate. The proposed method is based on analysis of statistical information. The basis of the selected mathematical tools for the procedure is founded on the method of probability theory.

Ключевые слова: судоходный шлюз, навал судна на ворота шлюза, риск аварии.

Key words: shipping lock, impact of the ship on the lock-gate, a risk factor.

МЕТОДИЧЕСКИЕ рекомендации по оценке технического состояния и уровня безопасности судоходных гидротехнических сооружений [1] содержат перечень из 18 сценариев аварий. Сценарии разбиты на 3 группы, каждой из которых присвоен коэффициент значимости, указывающий на величину последствий при данном виде аварий. Однако, несмотря на многообразие сценариев, методические рекомендации [1] не содержат необходимой информации для составления декларации безопасности сооружения согласно ФЗ РФ № 117 от 23.07.1997 г. «О безопасности гидротехнических сооружений» и Постановлению Правительства РФ от 06.11.1998 г. № 1303 «Об утверждении положения о декларировании безопасности гидротехнических сооружений» [2; 3]. К такой информации можно отнести следующие основные пункты:

1) условия реализации указанных сценариев;

2) вероятность реализации указанных сценариев.

По своему содержанию «Рекомендации» [1] не могут дать такой информации, так как их содержание, а именно показатель технического состояния и безопасности, рассматривает судоходный шлюз как напорное гидротехническое сооружение, где нормативные вероятности аварий рекомендуют принимать согласно СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования».

На наш взгляд, судоходный шлюз следует рассматривать прежде всего как систему для пропуска судов из одного бьефа в другой. Практика эксплуатации шлюзов показала, что все аварии и аварийные происшествия связаны с судопропуском.

Как показал анализ аварийных ситуаций, связанный с пропуском судов через шлюзованные каналы, инициирующим аварию событием, в том числе и в напорном фронте (голова шлюза и ворота, стены камеры), является воздействие судна.

Выпуск 1

Рассмотрим те аварийные ситуации, которые связаны с технологией судопропуска.

1. Навал судна на нижние ворота шлюза.

При данном событии конструкция ворот разрушается. Иногда происходит прорыв напорного фронта. Все случаи навалов требуют остановки шлюза и ремонта ворот. Причина такого события — нарушение режима движения судна в шлюзе из-за ошибок судоводителя (82,5 %) или отказ в системе ДЛУ судна (15 %). Несогласованность команд между оператором судна шлюза и судоводителем как причина навала составляет 2,5 %. Наиболее часто навалы на ворота происходят при малых габаритах камеры (длина, ширина), и, естественно, их интенсивность возрастает при усилении загрузки шлюзов.

2. Навалы судна на отбойные рамы нижних рабочих и ремонтных ворот с повреждениями конструкций.

Такие аварии свойственны для шлюзов с малыми соотношениями ширины камеры и ширины судна, а также происходят из-за несовершенства компоновки направляющих пал в подходном канале.

3. Навал судна на парапеты камеры с их повреждением.

Такие повреждения свойственны при шлюзовании высокоскоростных судов, следующих порожнем.

4. Посадка судна на днище камеры или удары о порог.

Это событие связано с информационными сбоями между оператором шлюза и судоводителем и происходит из-за волновых колебаний в камере и подходном канале.

5. Посадка судна на верхний ригель погружаемых ворот на верхней голове шлюза.

Событие происходит из-за нарушения судоводителями правил пропуска — вход судна в камеру на красный свет.

Все описываемые аварийные ситуации происходят вне зависимости от состояния конструкций ворот, хотя именно этот принцип и заложен в оценку безопасности шлюзов [1].

Рассмотрим, что рекомендуют авторы [1] для оценки безопасности шлюза.

Оценка ведется по следующим трем показателям:

— техническое состояние с учетом ответственности сооружения;

— условия эксплуатации, влияющие на безопасность сооружения;

— показатель соответствия проекта сооружения действующим нормам и правилам проектирования.

Рассматривая все вышеперечисленные случаи аварийных происшествий в шлюзах, очевидно, что их аварийность не зависит от технического состояния ворот, затворов и стен камеры, так как основным инициатором происшествия является судоводитель, управляющий судном. При навале судно может разрушить ворота, парапет и другие конструкции при любом их техническом состоянии. Условия эксплуатации шлюза, предусматривающие выполнение нормативных и проектных требований, организацию службы эксплуатации, а также уровень подготовки эксплуатационного персонала и наличие планов ликвидации последствий аварий, не предотвратят аварии.

Третий показатель соответствия проекта действующим нормам проектирования так же мало влияет на вероятность реализации аварийных событий. Как правило, все шлюзы запроектированы в соответствии со СНиП 2.06.07-87 «Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения». Единственное несоответствие данным нормам — это отсутствие предохранительного устройства перед воротами (п. 3.22 СНиП 2.06.07-87). Однако этот пункт авторами в [1] не был учтен, обосновывалось только «состояние предохранительного устройства», а не его отсутствие.

Федеральный закон РФ № 117 от 23.07.1997 г. «О безопасности гидротехнических сооружений» [2] и Постановление Правительства РФ № 1303 от 06.11.1998 г. «Об утверждении положения о декларировании безопасности гидротехнических сооружений» [3] требуют провести анализ возможных событий и оценить их вероятность.

Данному выводу посвящается разработанная нами методика оценки риска аварии судоходного шлюза. Практическая значимость разрабатываемой методики заключается в возможности применения ее при анализе уровней риска аварий судоходных шлюзов при декларировании безопасности в соответствии с ФЗ РФ № 117 от 23.07.1997 г. «О безопасности гидротехнических сооружений» и ФЗ РФ № 225 от 01.01.2012 г. «Об обязательном страховании гражданской ответственности владельца опасного объекта за причинение вреда в результате аварии на опасном объекте». Однако декларирование безопасности судоходных шлюзов отнюдь не единственная сфера применения разрабатываемой методики, весьма полезной и актуальной представляется роль документа в ряде видов деятельности, касающихся менеджмента риска, таких как выбор и обоснование проектных решений, оценка эффективности мероприятий по повышению безопасности ГТС, обоснование страховых тарифов и ставок и т. д. [4].

На основании статистического анализа данных об аварийных происшествиях в судоходных шлюзах водных путей РФ [7] были выявлены следующие факторы, влияющие на вероятность возникновения аварийной ситуации в шлюзе при пропуске различных типов судов. К ним относятся:

1) человеческий фактор;

2) соотношение размеров камеры шлюза и шлюзуемого судна;

3) интенсивность судопропуска.

Одной из целей статистического исследования была задача о выявлении определенных закономерностей, или факторов, влияющих на вероятность возникновения аварии в шлюзе. Закономерности были определены, поэтому в качестве математического аппарата с целью моделирования рисков шлюзов использовался метод построения и анализа уравнений множественной регрессии. Некоторые особенности описанного алгоритма приведены ниже.

Через шлюзованные каналы проходят различного типа плавающие средства: от судов (пассажирских, грузовых грузоподъемностью от 5000 т и меньше) до плотов, поэтому вероятность аварийной ситуации при прохождении через шлюз различного типа судов и плавсредств различна. В связи с этим очевидно, что для каждого типа судна, в зависимости от рассматриваемого шлюзованного пути, риск аварии будет свой.

Объект управления — система «судно-шлюз», на которую воздействуют факторы х, у, 2, ..., п, представлен на рис. 1.

(факторы)

т т т т т

(Пропуск различных типов судов)

X 0, ►

У <2у ^

г -► Система «судно-шлюз» &

п —л -а ►

(вероятности отказа системы)

Рис. 1. Мультипликативная модель системы «судно-шлюз»

Безопасность шлюза при прохождении определенного типа судна Q. представляется следу-

ющим образом:

ч(СхИ),

(1)

где QJ(t) — безопасность шлюза; Ч — человеческий фактор;

Выпуск 1

С — фактор соотношения размеров камеры шлюза и шлюзуемого судна;

И — фактор интенсивности судопропуска.

^ — навигационный период.

При переходе от мультипликативной формы записи к линейной зависимость (1) примет вид следующего регрессионного уравнения:

(2)

г=1

где Q. — вероятность возникновения аварийной ситуации для данного типа судна;

а.. — коэффициент, отражающий важность факторов, определяющих безопасность системы «судно-шлюз»;

Qt — статистическая вероятность аварии, произошедшей по вине /-го фактора для судов .-го

типа;

г. — стохастическая ошибка модели, учитывающая важность неучтенных факторов.

Справедливо отметить, что статистические данные об аварийных ситуациях, полученные из ГБУВПиС России указывают на то, что в 99 % случаев причиной аварийной ситуации в шлюзе при пропуске судна является человеческий фактор. В то время как глубокий анализ причин аварий, проводимый в рамках научного исследования, указывает на то, что действия судоводителя, несомненно, осложняются соотношением размеров камеры шлюза и шлюзуемого судна, а также наличием интенсивности судопропуска по исследуемому водному пути. Это говорит о том, что в настоящее время подход к учету человеческого фактора, зачастую являющегося главной причиной возникновения аварии в шлюзе при пропуске судна, не является систематическим. Фактор не имеет количественной оценки, хотя в настоящее время в этом назрела большая необходимость.

Ввиду вышеизложенного становится очевидным, что в предполагаемой регрессионной модели будут фигурировать два коэффициента, учитывающие важность соотношения размеров камеры шлюза и шлюзуемого судна и интенсивность судопропуска по исследуемому сооружению. Модель вида (2) будет индивидуальной для каждого типа судна, пропущенного через шлюз, и позволит оценить вероятность аварии при пропуске .-го типа судна. В табл. 1 представлены общие виды уравнений регрессии для различных типов судов.

Таблица 1

Уравнения регрессии для определения вероятности аварийной ситуации шлюза при пропуске различных типов судов

В

№

Тип судна Индекс, характеризующий тип судна Общий вид уравнения регрессии

1 2 3

Судно грузоподъемностью 5 тыс. т 1 1п( й ) = а1- 1п(<£ ) +а?- 1п(&* ) + ег

Сухогрузное судно 2 ІпШ = аІ-ІпШІ) + а? •1п(0?) + г2

Нефтеналивное судно 3 1п(дз) = а*3-1п(<2ї) + а?-1п(0?) + е3

Состав судов 4 1п(04 ) = а\- 1п(£ ) + а?- 1п(0? ) + е4

Пассажирское судно 5 1пШ = а] • 1п(0.$ ) + а^-1п(в?) + *!

Обозначения. х — индекс, характеризующий фактор соотношения размеров шлюза и шлюзуемого судна, у — индекс, характеризующий фактор интенсивности судопропуска.

Определение статистической вероятности аварии в шлюзе Q1. при прохождении его /-м ти-

пом судна определяется из статистических баз данных (БД) об авариях на исследуемом шлюзе (шлюзованном пути).

Эту вероятность можно вычислить с помощью формулы полной вероятности. Доказано, что в этом случае:

е;=£е(я;)-е(*/яд (3)

у=1

где Q(H.) — вероятность гипотезы (или вероятность прохождения ГТС .-м типом судна), Q(klH. ) — условная вероятность события к при гипотезе И. , то есть вероятность наступления аварийной ситуации при прохождении ГТС .-м типом судна.

Величины Q(H. ), Q(klH. ) вычисляются из статистических данных.

Вероятность Q(H. ) оценивается как

(4)

п

где п. — число судов .-го типа, прошедших через ГТС за навигацию; п — общее число пропущенных судов.

Формула для определения вероятности случайной величины к, распределенной по закону Пуассона, имеет вид

9{>С = к}=^е-\ (5)

где X — интенсивность распределения; к = 0, 1, 2, ..., если ^(к) < 0,1 и щ > 1; д(к) — вероятность аварии в каждом испытании.

Итак, поток аварий при шлюзовании моделируется как пуассоновский поток с интенсивностью:

(6)

где Qшл — вероятность аварии при шлюзовании; п. — число пропущенных судов .-го типа;

Q. — вероятность возникновения аварийной ситуации для .-го типа судна.

В частности, вероятность безаварийной работы будет равна:

Р = 1-<7(0) = 1-<Т\ (7)

Величину X или г можно принять за оценку риска аварии в судоходном шлюзе при пропуске

судна:

г=-^-аР (8)

И ] п

где X — интенсивность распределения пуассоновского потока; п — общее число пропущенных через шлюз судов; п. — число судов .-го типа, пропущенных через шлюз;

Q. — вероятность аварии при пропуске .-го типа судна.

Анализ шагов, представленных выше, позволяет выявить последовательность действий, направленную на определение количественной оценки риска аварии судоходного шлюза.

Логическая последовательность действий по оценке риска аварии судоходного шлюза при пропуске судна приобретает следующий вид:

Выпуск 1

1) формирование выборки данных из баз данных (БД) о различных типах аварий, интенсивности судопропуска по каждому судоходному шлюзу, входящему в состав водного пути, за каждый год эксплуатации;

2) определение, на основе полученных регрессионных зависимостей прогнозных значений вероятностей аварийных ситуаций судоходных шлюзов при пропуске различных типов судов;

3) оценка риска аварии судоходного шлюза, включающая качественные и количественные методы оценки риска.

Таким образом формируется четырехэтапная методика оценки риска аварий судоходных шлюзов, как показано на рис. 2.

Формирование выборки для получения статистических зависимостей

Определение прогнозных значений вероятностей аварийных ситуаций судоходных шлюзов при пропуске различных типов судов

Рис. 2. Укрупненная блок-схема методики оценки рисков аварий судоходного шлюза

т

Список литературы

1. Методические рекомендации по оценке технического состояния и уровня безопасности СГТС: утв. Росморречфлотом России. — М., 2011.

2. О безопасности гидротехнических сооружений: федеральный закон Рос. Федерации № 117 от 23 июля 1997 г.

3. Об утверждении положения о декларирования безопасности гидротехнических сооружений: Постановление Правительства Рос. Федерации № 1303 от 6 ноября 1998 г. в соответствии с федеральным законом № 117 «О безопасности гидротехнических сооружений».

4. Об обязательном страховании гражданской ответственности собственника опасного объекта за причинение вреда в результате аварии на опасном объекте: федеральный закон Рос. Федерации № 225 от 27 июля 2010 г.

5. Нычик Т. Ю. Декларирование безопасности судоходных шлюзов I Т. Ю. Нычик II Тр. II на-уч.-техн. конф. студ. и молодых ученых. — СПб.: СПГУВК, 2010.

6. Нычик Т. Ю. Навалы судов на ворота шлюзов I Т. Ю. Нычик II Тр. II науч.-техн. конф. студ. и молодых ученых. — СПб.: СПГУВК, 2010.

7. Нычик Т. Ю. Анализ аварийных ситуаций при шлюзовании судов I Т. Ю. Нычик II Журнал университета водных коммуникаций. — СПб.: СПГУВК, 2011. — № 4.

8. Нычик Т. Ю. Оценка риска аварий в судоходных шлюзах I Т. Ю. Нычик II Журнал университета водных коммуникаций. — СПб.: СПГУВК, 2012. — № 2.

УДК 627.059.1 С. Ю. Ладенко,

канд. техн. наук, ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова

ПРИМЕНЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ НАЗНАЧЕНИЯ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ APPLICATION OF PROBABILISTIC CHARACTERISTICS FOR ASSIGNING CRITERIA OF HYDRAULIC STRUCTURES SAFETY

В статье рассматриваются проблемные вопросы, связанные с назначением критериев безопасности гидротехнических сооружений. В настоящее время нет принятых методик оценки состояния гидротехнических сооружений по показаниям контрольно-измерительной аппаратуры, если не установлена корреляционная связь с другими измеряемыми характеристиками или нет тенденции изменения показаний во времени. Для назначения критериев безопасности гидротехнических сооружений предлагается и обосновывается использование вероятностных характеристик.

In the article the problems connected with assignment of criteria of safety of hydraulic structures are considered. At present there are no adopted methods for estimation of hydraulic structures condition according to the readings of control and measuring equipment if a correlation connection with other characteristics being measured is not established or there is no tendency for changing readings during the time. For assignment the criteria of safety of hydraulic structures using of probabilistic characteristics is offered and grounded.

Ключевые слова: критерии безопасности гидротехнических сооружений, контрольно-измерительная аппаратура, ряд наблюдений, вероятность.

Key words: criteria of safety of hydraulic structures, control and measuring equipment, instrumentation, a series of observations, probability.

В СООТВЕТСТВИИ с требованиями Федерального закона № 117-ФЗ от 21.07.1997 г. «О безопасности гидротехнических сооружений»[1] разработка критериев безопасности ГТС является обязательной для гидротехнических сооружений на стадии проектирования, строительства и эксплуатации.

Нормативным документом, определяющим в настоящее время правила разработки критериев безопасности для гидроэнергетических сооружений, является «Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений» РД 153-34.2-21.342-00 [2]. Основные принципы назначения критериев безопасности ГТС определяются в Пособии к этой методике [3].

В Стандарте ОАО РАО «ЕЭС России» [4] установлен «Перечень контролируемых показателей состояния ГТС», к которым относятся в том числе деформации тела и основания грунтовых сооружений, смещения (горизонтальные и вертикальные перемещения) отдельных элементов сооружения, пьезометрические напоры, фильтрационные расходы, уровни воды в пьезометрах, установленных в теле и основании грунтовых сооружений, параметры трещин в элементах сооружений и т. д.

Выпуск 1