ТЕОРІЯ РИЗИКУ

Основні положення теорії ризику.

Однією з основних завдань БЖД є визначення кількісних характеристик небезпеки (ідентифікація). Тільки знаючи ці характеристики можна на базі загальних методів розробити ефективні приватні методи забезпечення безпеки і оцінювати існуючі технічні системи та об'єкти з точки зору їх безпеки для людини.

При аналізі технічних систем широко використовується поняття надійності.

Надійність -- властивість об'єкту виконувати і зберігати в часі задані йому функції в заданих режимах і умовах застосування, технічного обслуговування, ремонтів, зберігання та транспортування.

Надійність є внутрішньою властивістю об'єкта. Воно проявляється у взаємодії цього об'єкта з іншими об'єктами всередині технічної системи, а також з зовнішньої середовищем, що є об'єктом, з яким взаємодіє сама технічна система відповідно до її призначення. Ця властивість визначає ефективність функціонування технічної системи в часі через свої показники. Будучи комплексним властивістю, надійність об'єкта (у залежності від його призначення і умов експлуатації) оцінюється через показники приватних властивостей -- безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності і збереження - окремо або певному поєднанні.

При аналізі безпеки технічної системи, характеристики її надійності не дають вичерпної інформації. Необхідно провести аналіз можливих наслідків відмов технічної системи в сенсі шкоди, що завдається обладнанню та наслідків для людей, що знаходяться поблизу нього. Таким чином, розширення аналізу надійності, включення до нього розгляду наслідків, очікувану частоту їх появи, а також збиток, викликаний втратами обладнання та людськими жертвами, і є оцінкою ризику. Кінцевим результатом вивчення ступеня ризику може бути, наприклад, таке твердження: "Можливе число людських жертв протягом року в результаті відмови одно N людина ".

Таким чином, можна дати наступне визначення ризику: ризик - частота реалізації небезпек. Кількісна оцінка ризику - це відношення числа тих чи інших несприятливих наслідків до їх можливого числа за певний період.

Приклад. Визначити ризик загибелі людини на виробництві за рік, якщо відомо, що щорічно гине близько n = 14000 чоловік, а чисельність працюючих складає N = 140 млн. осіб:

З точки зору суспільства в цілому цікаво порівняння отриманої величини із ступенем ризику звичайних умов людського життя, для того щоб отримати уявлення прийнятному рівні ризику і мати основу для прийняття відповідних рішень.

За даними американських вчених індивідуальний ризик загибелі з різних причин, за відношенню до всього населення США за рік становить:

Автомобільний транспорт 0,0003

Падіння 0,00009

Пожежа і опік 0,00004

Утоплення 0,00003

Отруєння 0,00002

Вогнепальна зброю і верстатне обладнання 0,00001

Водний, повітряний транспорт 0,000009

Падіння предмети, ел. ток 0,000006

Залізна дорога 0,000004

Блискавка 0,0000005

Ураган, торнадо 0,0000004

Таким чином, повна безпека не може бути гарантована нікому, незалежно від способу життя.

При зменшенні ризику нижче рівня 0,000001 на рік громадськість не висловлює надмірної заклопотаності і тому рідко вживаються спеціальні заходи для зниження ступеня ризику (ми не проводимо своє життя в страху загинути від удару блискавки). Грунтуючись на цьому припущенні, багато фахівців беруть величину 1 ' 10-6 як той рівень, до якого слід прагнути, встановлюючи ступінь ризику для технічних об'єктів. У багатьох країнах ця величина закріплена в законодавчому порядку. Пренебрежимо малим вважається ризик 1х10-8 на рік.

Необхідно відзначити, що оцінку ризику тих чи інших подій можна робити тільки при наявності достатньої кількості статистичних даних. В іншому випадку дані будуть не точні, тому що тут йдеться про так званих "рідкісних явища ", до яких класичний імовірнісний підхід не застосовний. "Так, наприклад, до чорнобильської аварії ризик загибелі в результаті аварії на атомній електростанції оцінювався в 2х10-10 на рік ".

Аналіз ризику дозволяє виявити найбільш небезпечні діяльності людини. За даними американських вчених частота нещасних випадків зі смертельним результатом становить (за часом доби) (рис.1):

Рис. 1. Найбільш небезпечні діяльності людини.

Таким чином, повинні розглядатися всі технічні та соціальні аспекти в їх взаємозв'язку. При цьому можливо забезпечити прийнятний ризик, який поєднує в собі технічні, економічні, соціальні та політичні аспекти і являє собою деякий компроміс між рівнем безпеки та можливостями її досягнення.

Спрощений приклад визначення прийнятного ризику можна проілюструвати графіком (мал. 2):

Затрачивая надмірні кошти на підвищення надійності технічних систем, можна завдати збиток соціальній сфері. Розмір прийнятного ризику визначається рівнем розвитку суспільства і темпів науково - технічного прогресу.

Початковий імпульс до створення чисельних методів оцінки надійності був даний авіаційної промисловістю. Після першої світової війни в зв'язку зі збільшенням інтенсивності польотів та авіакатастроф були вироблені критерії надійності для літаків і вимоги до рівня безпеки. Зокрема, проведений порівняльний аналіз одномоторних і багатомоторних літаків з точки зору успішного завершення польоту і вироблені вимоги за частотою аварій, віднесених до 1 год. польотного часу. До 1960р., Наприклад, було встановлено, що одна катастрофа припадає в середньому на 1млн. посадок. Таким чином, для автоматичних систем посадки літаків можна було б встановити вимоги за рівнем ризику, що не перевищує однієї катастрофи на 1 '107 посадок.

Подальший розвиток математичного апарату надійності стосовно до складних систем послідовного типу показало неможливість застосування старого закону "ланцюг не міцніший, ніж найслабше її ланка ". Було отримано закон твори для послідовних елементів:

Таким чином, в системі послідовного типу надійність окремих елементів повинна бути значно вище для задовільного функціонування системи.

У 40-і роки збільшення надійності йшов по шляху поліпшення конструкційних матеріалів, підвищення точності і якості виготовлення та складання виробів. Велика увага приділялася технічному обслуговуванню і ремонту устаткування (до тих пір, поки міністерство оборони США не виявило, що річна вартість обслуговування обладнання становить 2 $ на кожен 1 $ його вартості; тобто при 10-річного терміну його експлуатації необхідно 20млн. $ на утримання устаткування вартістю 1млн. $).

Надалі від аналізу надійності технічних систем почали переходити до оцінки ризику, включивши в аналіз помилкові дії оператора. Сильний поштовх розвитку теорії надійності дала військова техніка - вимога ураження цілі "з одного пострілу ".

Розвиток космонавтики та ядерної енергетики, ускладнення авіаційної техніки призвело до тому, що вивчення безпеки систем було виділено в незалежну окрему область діяльності. У 1969р. МО США прийняв стандарт MIL - STD - 882 "Програма щодо забезпечення надійності систем, підсистем і устаткування": Вимоги в якості основного стандарту для всіх промислових підрядників по військовим програмам. А паралельно МО розробило вимоги по надійності, працездатності і ремонтопридатності промислових виробів.

Методика вивчення ризику.

Вивчення ризику проводиться в три стадії

Перша стадія: попередній аналіз небезпеки.

Ризик найчастіше пов'язаний з безконтрольним звільненням енергії або витоками токсичних речовин (фактори миттєвої дії). Зазвичай одні відділення підприємства представляють більшу небезпеку, ніж інші, тому на самому початку аналізу слід розбити підприємство, для того щоб виявити такі ділянки виробництва або його компоненти, які є вірогідними джерелами безконтрольних витоків. Тому першим кроком буде:

Виявлення джерел небезпеки (наприклад, чи можливі витоку отруйних речовин, вибухи, пожежі і т.д.?);

Визначення частин системи (підсистем), які можуть викликати ці небезпечні стану (хімічні реактори, ємності і сховища, енергетичні установки та ін)

Засобами до досягнення розуміння небезпек в системі є інженерний аналіз і детальний розгляд навколишнього середовища, процесу роботи і самого обладнання. При цьому дуже важливо знання ступеня токсичності, правил безпеки, вибухонебезпечних умов, проходження реакцій, корозійних процесів, умов займистості і т.д.

Перелік можливих небезпек є основним інструментом у їх виявленні. Фірма "Боїнг" використовує такий перелік:

Звичайне паливо.

Рухове паливо.

ініціюють вибухові речовини.

Заряджені електричні конденсатори.

Акумуляторні батареї.

Статичні електричні заряди.

Ємності під тиском.

Пружинні механізми.

Підвісні пристрою.

Газогенератори.

Електричні генератори.

Джерела високочастотного випромінювання.

Радіоактивні джерела випромінювання.

Падіння предмети.

катапультуватися предмети.

Нагрівальні прилади.

Насоси, вентилятори.

що обертаються механізми.

Приводні пристрою.

Ядерна техніка.

і т.д.

Процеси і умови, що представляють небезпеку:

Розгін, гальмування.

Забруднення.

Корозія.

Хімічна реакція (дисипації, заміщення, окислення).

Електричні: ураження струмом; опік; непередбачувані включения; відмови джерела живлення; електромагнітні поля.

Вибухи.

Пожежі.

Нагрівання і охолодження: висока температура; низька температура; зміна температури.

Витоку.

Волога: висока вологість; низька вологість.

Тиск: висока; низька; швидку зміну.

Випромінювання: термічне; електромагнітне; іонізуюче; ультрафіолетове.

Механічні удари і т.д.

Зазвичай необхідні певні обмеження на аналіз технічних систем і навколишнього середовища (Наприклад, нераціонально в деталях вивчати параметри ризику, пов'язаного з руйнуванням механізму або пристрою в результаті авіакатастрофи, тому що це рідкісне явище, однак треба передбачати захист від таких рідкісних явищ при аналізі ядерних електростанцій, тому що це тягне за собою велику кількість жертв). Тому необхідний наступний крок.

Введення обмежень на аналіз ризику (наприклад, потрібно вирішити, чи буде він включати детальне вивчення ризику в результаті диверсій, війни. помилок людей, поразки блискавкою, землетрусів і т.д.).

Таким чином, метою першій стадії аналізу ризику є визначення системи і виявлення в загальних рисах потенційних небезпек.

Небезпеки після їх виявлення, характеризуються відповідно до викликаються ними наслідками.

Характеристика проводиться відповідно до категорій критичності:

1 клас -- пренебрежимо ефекти;

2 клас -- граничні ефекти;

3 клас -- критичні ситуації;

4 клас - катастрофічні наслідки.

Надалі необхідно намітити запобіжні заходи (якщо таке можливо) для виключення небезпек 4-го класу (3-го, 2-го) або зниження класу небезпеки. Можливі рішення, які слід розглянути, представляються у вигляді алгоритму, званого деревом рішень для аналізу небезпек.

Після цього можна прийняти необхідні рішення щодо внесення виправлень до проекту в цілому або змінити конструкцію обладнання, змінити цілі та функції і внести нештатні дії з використанням запобіжних і запобіжних пристроїв.

Типова форма, заповнюється при проведенні попереднього аналізу ризику має такий вигляд (рис.3.).

Рис.3. Типова форма для проведення попереднього аналізу.

Апаратура або функціональний елемент, що піддаються аналізу.

Відповідна фаза роботи системи або вид операції.

аналізований елемент апаратури або операція, яка є за своєю природою небезпечними.

Стан, небажана подія або помилка, які можуть бути причиною того, що небезпечний елемент викличе певне небезпечний стан.

Небезпечне стан, який може бути створено в результаті взаємодії елементів в системі або системи в цілому.

Небажані події або дефекти, які можуть викликати небезпечний стан, що веде до певного типу можливої аварії.

Будь-яка можлива аварія, яка виникає в результаті певного небезпечного стану.

Можливі наслідки потенційної аварії у разі її виникнення.

Якісна оцінка потенційних наслідків для кожного небезпечного стану відповідно з наступними критеріями:

клас 1 -- безпечний (стан, пов'язаний з помилками персоналу, недоліками конструкції або її невідповідністю проекту, а також неправильною роботою), не призводить до суттєвих порушень і не викликає пошкоджень обладнання і нещасних випадків з людьми;

клас 2 -- граничний (стан, пов'язаний з помилками персоналу, недоліками конструкції або її невідповідністю проекту, а також неправильною роботою), призводить до порушень у роботі, може бути компенсовано або взято під контроль без пошкоджень обладнання або нещасних випадків з персоналом;

клас 3 -- критичний: (стан, пов'язаний з помилками персоналу, недоліками конструкції або її невідповідністю проекту, а також неправильною роботою), призводить до суттєвих порушень в роботі, пошкодження обладнання та створює небезпечну ситуацію, ситуацію що вимагає негайних заходів з порятунку персоналу і обладнання;

клас 4 -- катастрофічний (стан, пов'язаний з помилками персоналу, недоліками конструкції або її невідповідністю проекту, а також неправильною роботою), призводить до подальшої втрати обладнання та (або) загибелі або масового травмування персоналу.

Рекомендовані захисні заходи для виключення або обмеження виявлених небезпечних станів і (або) потенційних аварій; рекомендований превентивні заходи повинні включати вимоги до елементів конструкції, введення захисних пристосувань, зміна конструкцій, введення спеціальних процедур та інструкцій для персоналу.

Слід реєструвати введені превентивні заходи і стежити за складом інших діючих превентивних заходів.

Таким чином попередній аналіз небезпеки являє собою першу спробу виявити обладнання технічної системи і окремі події, які можуть призвести до виникнення небезпек і виконується на початковому етапі розробки системи.

Приклад попереднього аналізу небезпеки хімічного реактора:

Підсистема або операція

Ситуація

Небезпечний елемент

Подія, що викликає небезпечний стан

Небезпечні умови

Подія, що викликає небезпечні умови

Потенційна аварія

Наслідки

Клас небезпеки

Заходи

Ємність для зберігання лугу 1. Експлуатація 1, Сильний окислювач 1. Луг забруднена мастилом 1. Можливість сильної реакції від відновлення або окислення 1. Виділення достатнього кількості енергії для початку реакції 1. Вибух 1. Поранення персоналу, пошкодження прилеглих будівель IV Зберігання лугу на достатній відстані від усіх джерел забруднення. Контроль чистоти елементів обладнання

2. Заправка ємності лугом 2. Корозія 2. Вміст ємності забруднене парами води 2. Освіта іржі всередині бака 2. Збільшення тиску в ємності при закчке лугу 2. Зруйнували?? ие ємності під тиском 2. Поранення персоналу, пошкодження прилеглих будівель IV Використання ємностей з корозієстійких сплавів, розміщення їх на достатній відстані від іншого обладнання та персоналу

Друга стадія: виявлення послідовності небезпечних ситуацій.

Друга стадія починається після того, як визначена конфігурація системи та завершено попередній аналіз небезпек. Подальше дослідження проводять за допомогою двох основних аналітичних методів:

побудови дерева подій;

побудови дерева відмов.

Розглянемо побудова дерева подій і дерева відмов на прикладі ядерного реактора.

Нехай на перший стадії (попередній аналіз небезпеки) було встановлено, що найбільший ризик пов'язаний з радіоактивними витоками, а підсистемою, з якої починається ризик, є система охолодження реактора (рис. 4).

Рис.4. Сім головних завдань, що вирішуються при аналізі безпеки реактора.

Аналіз ризику на другої стадії починається з простежування послідовності можливих подій, починаючи від ініціювання події (руйнування трубопроводу холодильної установки), імовірність якого дорівнює РА.

Звернемося до блоку 1 і розглянемо дерево подій (мал. 5). Аварія починається з руйнування трубопроводу, що має ймовірність виникнення РА. Далі аналізуються можливі варіанти розвитку подій, які можуть піти за руйнуванням трубопроводу.

На основі аналізу можливих подій будується дерево відмов (мал. 5). При цьому виконується правило: верхня гілка відповідає бажаному події ( "успіх"), нижня небажаного ( "відмова").

А - поломка трубопроводу; В - електроживлення; С - автоматична система охолодження реактора; D - видалення радіоактивних продуктів; Е - цілісність замкнутого контуру.

Рис.5. Спосіб спрощення дерева подій.

На практиці дерево відмов аналізують за допомогою звичайної інженерної логіки і спрощують, відкидаючи "непотрібні" події.

Наприклад, якщо відсутній електроживлення (В), то ніякі дії, передбачені на випадок аварії, не можуть проводитися (не працюють насоси, системи охолодження і т.д.). В результаті, спрощене дерево відмов не містить вибору в разі відсутності електроживлення і т.д.

Таким чином, друга стадія закінчується визначенням всіх можливих варіантів відмов у системі та перебуванням значень ймовірності для цих варіантів.

Третя стадія: аналіз наслідків.

При аналізі наслідків використовуються дані, отримані на стадії попередньої оцінки небезпеки і на стадії виявлення послідовності небезпечних ситуацій.

За даними дерева відмов і отриманим значенням ймовірності можливих відмов можна побудувати гістограму частот для різних величин витоків (на прикладі ядерного реактора).

Рис.6. Гістограма частот для різних величин витоків.

Якщо за даними гістограми побудувати криву, то ми отримаємо граничну криву частоти аварійних витоків (крива Фармера). Вважається, що крива відділяє верхню область неприпустимо великого ризику від області прийнятного ризику, розташованої нижче і лівіше кривої.

Рис.7. Крива Фармера.

Інші прийоми аналізу ризику

1. Аналіз видів відмов і наслідків.

За допомогою аналізу видів відмов і наслідків систематично, на основі послідовного розгляду одного елемента за одним аналізуються всі можливі види відмов або аварійні ситуації і виявляються їх результуючі впливу на систему. Окремі аварійні ситуації і види відмов елементів виявляються і аналізуються для того щоб визначити їх вплив на інші прилеглі елементи і систему в цілому.

Аналіз видів відмов і наслідків суттєво більш детальний, ніж аналіз за допомогою дерева відмов, тому що при цьому необхідно розглянути всі можливі види відмов або аварійні ситуації для кожного елемента системи

Наприклад, реле може відмовити з наступних причин:

контакти не розімкнулись або не зімкнулися;

запізнювання в замиканні або розмиканні контактів;

короткий замикання контактів на корпус, джерело живлення, між контактами і в ланцюгах управління;

брязкіт контактів (нестійкий контакт);

контактна дуга, генерування перешкод;

розрив обмотки;

короткий замикання обмотки;

низький або високий опір обмотки;

перегрів обмотки.

Для кожного виду відмови аналізуються наслідки, намічаються методи усунення або компенсації відмов.

Додатково для кожної категорії повинен бути складений перелік необхідних перевірок.

Наприклад, для баків, ємностей, трубопроводів цей перелік може включати наступне:

змінні параметри (витрата, кількість, температура, тиск, насичення і т.д.);

системи (нагрівання, охолодження, електроживлення, керування і т.д.);

особливі стану (обслуговування, включення, виключення, заміна вмісту і т.д.);

зміна умов або стану (занадто великі, занадто малі, гідроудар, осад, незмішуваності вібрація, розрив, витік і т.д.)

Використовувані при аналізі форми документів подібні що застосовуються при виконанні попереднього аналізу небезпек, але значною мірою деталізований.

2. Аналіз критичності.

Цей вид аналізу передбачає класифікацію кожного елемента відповідно до ступеня його впливу на виконання загальної задачі системою. Встановлюються категорії критичності для різних видів відмов:

категорія 1 - Відмова, що призводить до додаткового незапланованому обслуговування;

категорія 2 - Відмова, що призводить до затримок у роботі або втрати працездатності;

категорія 3 - Відмова, потенційно призводить до невиконання основного завдання;

категорія 4 - Відмова, потенційно призводить до жертв.

Даний метод не дає кількісної оцінки можливих наслідків або збитку, але дозволяє відповісти на наступні запитання:

який з елементів має бути підданий детальному аналізу з метою виключення небезпек, що призводять до виникнення аварій;

який елемент вимагає особливої уваги в процесі виробництва;

які нормативи вхідного контролю;

де слід вводити спеціальні процедури, правила безпеки та інші захисні заходи;

як найбільш ефективно витратити кошти для запобігання аварій.

Порівняльні дані різних методів аналізу.

Попередній аналіз небезпек - визначає небезпеку для системи і виявляє елементи для проведення аналізу за допомогою дерева відмов і аналізу наслідків. Частково збігається з методом аналізу наслідків і аналізом критичності.

Переваги: є першим необхідним кроком.

Недоліки: немає.

Аналіз з допомогою дерева відмов - починається з ініціювання події, потім розглядаються альтернативні послідовності подій.

Переваги: широко застосовний, ефективний для опису взаємозв'язків відмов, їх послідовності та альтернативних відмов.

Недоліки: великі дерева відмов важкі в розумінні, потрібне використання складної логіки. Непридатні для детального вивчення.

Аналіз видів відмов і наслідків - розглядає всі види відмов по кожному елементу. Орієнтований на апаратуру.

Переваги: простий для розуміння, широко застосовний, несуперечливий, не вимагає застосування математичного апарату.

Недоліки: розглядає безпечні відмови, вимагає багато часу, часто не враховує поєднання відмов і людського фактора.

Аналіз критичності - визначає і класифікує елементи для удосконалення системи.

Переваги: простий для користування і розуміння, не вимагає застосування математичного апарату.

Недоліки: часто не враховує ергономіку, відмови із загальною причиною і взаємодія системи.

На практиці, при дослідженні небезпеки системи, частіше за все послідовно застосовуються різні методи (наприклад, попередній аналіз, потім - дерево відмов, потім - аналіз критичності та аналіз видів відмов і наслідків).

Для оцінки ефективності витрат, пов'язаних зі зменшенням ризику, можна використовувати спрощений підхід, розглянутий раніше (графік Rт + Rсе) або скористатися іншими.

Одним з способів оцінки зменшення ризику є порівняння оцінюваних витрат з очікуваними результатами в грошовому вираженні. Цей вид аналізу суперечливий, тому що вимагає оцінки безпеки для людського життя у вартісному вираженні.

В дослідної лабораторії "Дженерал моторс" розроблено спосіб оцінки, не що стосується цієї проблеми, зосереджуючи увагу на тривалості життя. Вихідна передумова: засоби для скорочення ризику призначені збільшити тривалість життя.

У методі використовуються дані по всіх категоріях смертельного ризику і визначається їх вплив на тривалість життя незалежно для кожної категорії. Таким способом визначається можливість збільшення тривалості життя в роках або днях завдяки впровадженню заходів щодо зменшення ризику. У поєднанні з оцінками витрат це допомагає визначити ефективність таких заходів (рис.3).

Головною метою при вивченні небезпек, властивих системі, є визначення причинних взаємозв'язків між вихідними аварійними подіями, що відносяться до устаткування, персоналу та навколишньому середовищу і призводить до аварій в системі, а також відшукання способів усунення шкідливих впливів шляхом перепроектування системи або її вдосконалення.

Причинні взаємозв'язку можна встановити за допомогою одного з розглянутих методів, а потім піддати якісного і кількісного аналізів. Після того, як поєднання вихідних аварійних подій, що ведуть до виникнення небезпечних ситуацій в системі виявлені, система може бути вдосконалена і небезпеки зменшені.

Необхідно зазначити, що використання деяких з спрощено розглянутих вище методів вимагає роботи зі складними логічними структурами, їх побудова та кількісний аналіз вимагає, щонайменше, твердих знань математичної логіки, булевої алгебри, теорії множин та інших складних розділів сучасної математики.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.bolshe.ru/