1.3. Идентификация причин опасного состояния системы «человек – машина».

Типичной причинной цепью происшествий в СЧМ оказалась такая последовательность событий: ошибка человека или/и неисправность техники; затем переход системы в неуправляемое или плохо управляемое состояние; затем накопление энергии (рост давления, повышение электрического напряжения, подъем массивных предметов на высоту и т.д.) или вещества (концентрация токсичных или радиоактивных веществ); затем появление опасного фактора (потока энергии или вещества) в неожиданном месте и/или не вовремя; затем распространение и воздействие опасных факторов на элементы техники, людей и/или окружающую среды. На рисунке 34 показаны факторы, от которых зависит безопасность системы «человек-машина».

Ошибками человека могут быть:

- ошибки в ориентации (неполучение нужной информации), ошибки принятия решений (принятие неправильного решения), ошибки выполнения действий (выполнение неправильных действий или бездействие).

Основными факторами, способствующими возникновению указанных событий являются:

Неисправность техники – некачественные элементы, ошибки проектирования и изготовления, недопустимые внешние воздействия;

Ошибки человека – усталость, употребление алкоголя, наркотиков и некоторых лекарственных средств, болезни, изменение погоды, недостатки профессиональной подготовки, стресс, плохая организация труда и дискомфортность производственной среды, низкое качество конструкции рабочих мест, несоответствие психофизиологических характеристик требованиям операторской деятельности, плохие взаимоотношения в коллективе, материальные и личные заботы;

Накопление энергии или вещества – использование в конструкции машин опасных источников энергии, опасных технологий и токсичных материалов;

Выход энергии или вещества – отсутствие в конструкции машины средств и конструкторских решений, предотвращающих опасные происшествия;

Воздействие опасных факторов на человека и окружающую среду – отсутствие средств индивидуальной защиты и средств инженерной защиты окружающей среды.

Для повышения безопасности СЧМ необходимо устранять указанные причины нежелательных событий. Достижение состояния полной безопасности, т. е. отсутствия возможности опасных состояний СЧМ разумеется невозможно. Но если ввести критерий, до которого следует реально снизить уровень опасности, то создать безопасную систему поможет комплекс мероприятий:

• повышение надежности технической системы (машины),

• повышение качества подготовки оператора,

• уменьшение влия­ния окружающей среды на человека и машину,

• согласо­вание характеристик человека и техники,

• проектирование оптимальных рабочих мест,

• создание комфортной производственной среды,

• использование безопасных источников энергии, веществ и технологий,

• разработка средств защиты человека и окружающей среды.

Рассмотрим эти мероприятия более подробно дополнив их принципами анализа опасности СЧМ и установления допустимого уровня их безопасности.

1.4. Технические элементы системы «человек – машина»

Технические элементы СЧМ являются наиболее изученным и стабильно прогнозируемым их компонентом. В теории надежности разработаны точные модели некоторых элементов и накоплены обширные данные о работоспособности практически всех используемых в жизнедеятельности человека технических средств. Базовым объектом изучения в теории надежности является технический элемент, который может находиться только в двух состояниях: рабочем и нерабочем. Переход от рабочего состояния к нерабочему считается мгновенным и называется отказом элемента. Отказ - происшествие, заключающееся в нарушении работоспособности элемента системы «человек – машина». Отказу обычно предшествуют сложные внутренние изменения в системе. Эти изменения могут проявляться по-разному в зависимости от типа устройств, места и характеристики отказа. В одном устройстве возрастает потребляемая мощность, растут потери, и уменьшается коэффициент полезного действия, т.е. изменяется энергетическое соотношение между входом и выходом. В другом – наблюдается дестабилизация характеристик, выходные характеристики представляют собой спектр амплитуд, которые с течением времени возрастают.

Особенность всякой технической системы состоит в том, что при отказе весьма ограниченного числа ее элементов наступает отказ системы. Он может привести к происшествиям с тяжелыми последствиями, т.к. современные СЧМ решают важные задачи по управлению энергонасыщенными производствами, часто использующими опасные и токсичные химические вещества. Эта причинно-следственная связь между отказами техники и различного рода происшествиями была установлена давно. Существует модель возникновения происшествия по типу домино. В этой модели показано, как некоторые отказы элементов технической системы влекут за собой цепочку последующих отказов и происшествий, нарастающую подобно лавине, которая в свою очередь приводит к итоговому происшествию, как правило с тяжелыми последствиями.

Но не все отказы приводят к авариям и катастрофам. Для выявления критических для подобных происшествий отказов проводят анализ в обратной последовательности. Задаваясь конкретной потенциальной аварией или катастрофой, ищут сочетания элементов, отказ которых по отдельности или всех одновременно может привести к рассматриваемому происшествию. Набор таких отказов называют минимальным пропускным сочетанием для данного происшествия. Минимальным это сочетание называется потому, что при отсутствии даже одного из этих отказов или происшествий, итоговое происшествие невозможно. Например, критическими являются отказы клапанов и насосов для сосудов, работающих под давлением, отказ предохранителей и автоматических выключателей в электроустановках, отказ датчиков уровня и расхода в хранилищах токсичных веществ, и т. д.

Элементам, отказы которых составляют минимальное пропускное сочетание, должно быть уделено первоочередное внимание конструкторов при проектировании технической системы. Для этих элементов в обязательном порядке разрабатываются меры по повышению надежности. В случае невозможности дальнейшего повышения надежности элементов для предотвращения происшествий применяют дублирование и резервирование элементов. Для наиболее опасных происшествий, кроме повышения надежности, разрабатывают специальные средства защиты, призванные устранить или в крайнем случае уменьшить ущерб, наносимый авариями и катастрофами.

Момент наступления отказа определяется большой совокупностью факторов и не может быть рассчитан аналитически. Поэтому при описании отказов элементов используют аппарат теории вероятности. Вероятность отказа - количественное выражение возможности отказа элемента. Вероятность отказа обозначают: р (от англ. Possibility - возможность, в данном случае, возможность отказа). Обычно приводят значения р для 1 часа работы элемента. Экспериментально определенные вероятности отказов наиболее распространенных механических, электро-механических и электрических элементов приведены в Таблицах П1 и П2 Приложения.

Так как технический элемент может находиться только в двух состояниях, то отказ и безотказная работа составляют полную группу несовместных событий. Следовательно величина r (от англ. Reliability – надежность), определяемая как r = 1 – p, будет являться мерой надежности элемента. Надежность элемента - количественное выражение вероятности безотказной работы элемента. Вероятность безотказной работы в течение 1 часа работы может быть определена по указанной формуле на основе имеющихся в Файле материалов данных о вероятности отказа технических элементов.

Ввиду того, что все вероятности определены для одного часа работы элемента, величина обратная вероятности безотказной работы элемента: t = 1/r, будет выражать вероятное время работы (в часах) технического элемента до первого отказа. Величину t называют наработкой на отказ. Наработка на отказ - время непрерывной безотказной работы элемента. Для указанных статистических величин могут вводиться различные поправки, например на условия эксплуатации и на старение системы, Очевидно, что чем дольше эксплуатируется система, тем выше вероятность отказа составляющих элементов.

Рассмотренные выше показатели надежности технических элементов применимы и для описания систем, состоящих исключительно из таких элементов. Зная состав технической системы и используя данные о надежности составляющих элементов можно определить вероятность безотказного функционирования системы. Вероятность безотказного функционирования системы - количественное выражение надежности системы, рассчитываемое по известным характеристикам надежности составляющих ее элементов. В теории надежности предполагается, что элементы и группы элементов (узлы) в системе могут быть соединены параллельно или последовательно. На рис. 3 и 4 показаны примеры систем с последовательным и параллельным соединением элементов.

Д ля системы, изображенной на рис.36 вероятность безотказного функционирования системы R будет определяться как:

Для системы, изображенной на рис. 4 вероятность безотказной работы R можно найти из выражения:

где : r_i – надежность i – го составляющего элемента.

Например, элементами систем рис. 2 и 3 могут быть резисторы. Тогда работа системы заключается в передаче сигнала от точки А к точке В. Для однотипных резисторов с одинаковой надежностью r_р, вероятность безотказного функционирования (вероятность протекания тока от А к В) будет равна:

Для схемы рис.36

Для схемы рис 37

Схема рис.36 демонстрирует принцип избыточности, при котором в систему вводятся дублирующие элементы, присоединяемые параллельно основным, для повышения надежности функционирования системы.