Учебное пособие 1526

Дерево отказов состоит из последовательности событий, которые ведут к отказам системы или происшествию. Последовательность событий строится с помощью логических .знаков "И", "ИЛИ" и др. Событии под логическим знаком и все события, которые имеют более элементарные причины отказов,

помещаются в прямоугольнике, а само событие описано в этом прямоугольнике. Последовательности в конечном итоге ведут к исходным причинам, для которых имеются данные по частоте отказов. Эти исходные причины обозначают кругом. Они представляют разрешающую способность данного дерева отказов.

На рис. 7 приведено дерево отказов системы, показанной на рис.5 (насос

– клапан).

Деревья отказов являются сложными логическими структурами, их построение и количественный анализ требуют по меньшей мере твердях знаний булевой алгебры, теории множеств, теории вероятностей и других сложных разделов современной математики. В целом построение дерева отказов для больших сложных систем требует значительных затрат

Жидкость не движется

Исходный отказ насоса Насос не работает Вторичный отказ насоса

или

Рис. 7 Дерево отказов

101

времени и средств, например, по меньшей мере, двух человеко - лет для системы атомного реактора.

Требование безопасности состоит в том, чтобы отказы, связанные с угрозой для здоровья и жизни людей, опасностью для окружающей среды,

были либо исключены, либо обладали в течение всего установленного срока службы малой вероятностью появления.В расчетах на безопасность широко используют вероятностные модели редких событий. Воздействие считают редким, если средний период повторяемости значительно превышает плановый срок службы. Причины возникновения аварийных ситуаций можно разбить на три группы:

1) Редкие стихийные воздействия., не предусмотренные в условиях нормальной эксплуатации сильные землетрясения, ураганы и штормы.

наводнения, оползни, глубокие просадки грунта, падение метеоритов и т.д.;

2)Редкие сочетаний природных и эксплуатационных нагрузок и

воздействий, а также редкие сочетания природных воздействий с экс-

плуатационными отказами:

3)Грубые ошибки при проектировании, изготовлении. транспорти-

ровании, монтаже, эксплуатации, демонтаже конструкций.

Статистика аварий показывает. что если исключить из рассмотрения сильные землетрясения, то приблизительно 80% аварий принадлежит к 3 типу.

Риском можно управлять. Управление риском в масштабе страны рассмотрим на примере Голландии. Там разработана правительственная программа управления риском. Она является составляющей частью общей программы по защите окружающей среды. Эксперты учитывают риск, социальный риск и даже риск для экосистем. Строятся карты распределения риска. Максимально приемлемым уровнем индивидуального риска считается величина 10-6 год-1.

Пренебрежимо малым считается риск 10-7 год-1. Для факторов, которые не приводят к непосредственной смерти, приняты эти же нормы. Максимально приемлемым уровнем риска для экосистем считается тот, при котором может пострадать 5% видов биогеоценозов.

102

Таким образом, любой производственный процесс и техническое средство обладают потенциальной опасностью. Нулевая вероятность опасности достигается лишь в системах, лишенных запасенной энергии,

химических и биологически активных веществ.

Количественной величиной, определяющей опасность, является риск. В

разных задачах под риском следует понимать то вероятность какой-то аварии,

то масштаб возможного ущерба от нее, а то и комбинацию двух этих величин.

Необходимо учитывать и выгоду, которую получает общество, когда идет на риск.

Допустимый риск определяется нормативными значениями показателя.

Выбор такого значения основан на использовании четырех подходов:

на основе статистических данных об авариях в данной отрасли;

на основе уровня, существующего в смежных отраслях;

на основе назначения индивидуального риска;

на основе экономических подходов.

Различают три причины отказов: первичный отказ элемента, причиной которого является он сам; вторичный отказ (объясняется воздействием предыдущего или текущих избыточных напряжений на элементы);

ошибочные команды из-за неправильного сигнала управления или помехи.

Одним из распространенных методов оценки опасных ситуаций является построение и расчет деревьев отказов и деревьев событий. С помощью деревьев отказов можно предсказать, во что может развиться тот или иной отказ техники. Деревья событий, наоборот, помогают проследить все причины,

которые способны вызвать какое-то нежелаемое явление. Когда деревья построены, рассчитывается вероятность реализации каждого из сценариев

(каждой ветви), а затем общая вероятность аварии на объекте.

103

2.1.3 Методы прогнозирования опасных ситуаций

Большая роль при оценке условий возникновения опасных ситуаций принадлежит их прогнозированию и моделированию. под прогнозом понимают результат экстраполяции прошлого в будущее. В отличие от прогноза предсказание – это некоторая субъективная оценка будущего. Прогноз говорит только о применении имеющейся информации о прошлом, которая связана с будущим с помощью логических структурных умозаключений. Цель прогноза состоит в улучшении качества принимаемых решений не ограничивая при этом число вариантов решения, а также не вынуждая специалиста принимать определенные решения. Прогнозы даже с относительно небольшой степенью достоверности позволяют уменьшить неопределенность наших знаний о будущем.

В настоящее время имеется более ста различных методов и способов научно – технического проектирования. В основном современные прогнозные модели строятся в рамках статистических моделей, моделей экстраполяции регулярных составляющих, оценке влияния случайных составляющих процесса. Можно выделить 4 группы методов прогнозирования: экспертных оценок, экстраполяции, статистического моделирования, комбинированные. По степени формализации они делятся на интуитивные и формализованные. К

интуитивным относятся индивидуальные и коллективные экспертные оценки, к

формализованным - остальные.

Метод экспертных оценок применяется в тех случаях, когда объект прогнозирования либо слишком прост, либо настолько сложен, что аналитически учесть влияние множества факторов практически невозможно.

Экстраполяция была и остается надежным методом для прогнозирования естественных (неуправляемых) процессов. По крайней мере три четверти методов прогнозирования прямым или косвенным образом базируются на использовании экстраполяции. Одними из распространенных методов экстраполяции являются методы экстраполяции тенденций, среди которых

104

весьма эффективным и надежным является метод экспоненциального

сглаживания временных рядов. Метод является обобщением метода скользящего среднего.

Глубина прогнозирования определяется соотношением = t/tx, где t -

абсолютное время упреждения; tx - величина эволюционного цикла объекта прогнозирования. При 1 используются формализованные методы прогнозирования, при 1 - интуитивные методы. Формализованные применяются для оценки эволюционных участков развития до и после скачка.

Среднеквадратическая ошибка прогноза за период упреждения

где N - интервал упреждения;

diистинное значение величины;

Ui - запрогнозированное значение.

Методология прогнозирования развития отраслевых систем основывается на использовании двух подходов: целевого и инерционного. Инерционный подход позволяет выявить неблагоприятные тенденции в формировании и развитии систем, преодоление которых возможно только с позиций переосмысления и отказа от традиционных концепций их развития.

Применение целевого подхода позволяет сформулировать цели и задачи развития системы. Методы целевого прогнозирования иначе называют методами нормативного прогнозирования, а методы инерционного прогнозирования - методами исследовательского прогнозирования.

Тремя самыми распространенными методами нормативного прогнозирования являются: построение деревьев целей, морфологические модели и блок-схемы последовательности выполнения задач. В дереве целей цели и задачи должны быть детализованы до конкретных рекомендаций, имею-

щих количественные выражения,

Деревья целей используются для анализа иерархических структур,

морфологические модели - для анализа параллельных структур, блок-схемы

105

последовательности выполнения задач - для анализа процессов с этапами,

образующими пространственные, временные или логические пос-

ледовательности.

2.1.4 Прогнозирование и моделирование условий возникновения опасных ситуаций при проектировании технических средств

В прогнозировании и моделировании условий возникновения опасных ситуаций можно идти двумя путями. Первый - попытаться вскрыть причинно-

следственный механизм, то есть найти факторы, определяющие поведение прогнозируемого показателя, прогноз по которым либо известен (физические

соотношения), либо найти нетрудно. Этот путь приводит к моделированию

математическому, т.е. построению модели поведения объекта (как правило,

изолированно. Обычно при проектировании технических средств используют

комбинированный метод прогнозирования. Метод сочетает в себе элементы нормативного прогнозирования, заложенного в показателе желательности, и

элементы исследовательского прогноза, заложенного в показателях

осуществимости и применимости. Суть метода заключается в следующем.

показателя, меньших значения осуществимого показателя делается вывод с возможности создания данного технического средства по существующим технологиям. При обратном соотношении значений показателей делается вывод о смене технологии, переходе на новый физический принцип и т.д.

В аварийной ситуации абсолютно преобладают два метода

106

прогнозирования: по аналогии с личным прошлым опытом и интуитивный. На основании совокупности информации об объекте необходимо экстраполировать его поведение в будущем и установить оптимальный момент для прекращения эксплуатации данного объекта и (или) проведения следующей инспекции, если контроль состояния не ведется непрерывно.

Выбор допустимых вероятностей воздействия опасных факторов для типовой продукции и технологий машиностроения осуществляется с использованием способов, описанных выше.

Требования безопасности определяйся величинами риска. При проектировании технологических средств даже на стадии НИР и ОКР необходимо учитывать значение риска в качестве ограничений на показатели техники. После оценки величины риска строится дерево отказов для проектируемой системы. Выделяются наиболее опасные с точки зрения безопасности элементы. На основании вероятностей отказов элементов определяется вероятность отказа всей системы. Вероятность отказа сравнивается с величиной риска. Разрабатываются предложения по снижению вероятностей отказов, прежде всего наиболее опасных элементов.

При проектировании технических средств необходимо рассматривать несколько альтернативных вариантов. Например, при проектировании ав-

томобиля можно предложить использование в качестве двигательной установки двигатель на бензине, на водороде, электродвигатели. С учетом логического риска наиболее целесообразно использование двигателей на водороде и электродвигателей. Но с учетом экономических показателей и технологических характеристик, в настоящее время все же используют бензин. Хотя, не взирая на затраты, устройство нейтрализации выхлопных газов в любом автомобиле должно быть предусмотрено.

Таким образом, прогнозирование чрезвычайные ситуаций при проек-

тировании объектов, технологий, машин дает дополнительную информацию для принятия решений об их создании. Причем такое прогнозирование должно проводиться еще на стадии НИР и ОКР. За счет надежности цепочки

107

проектирование - строительство - эксплуатация можно достичь снижения аварийной опасности путем учета требований безопасности в каждом звене цепочки.

2.1.5 Зоны действия опасных и вредных факторов

Опасная зона - это пространство, в котором возможно действие на человека опасного или вредного фактора. Наличие опасной зоны может быть обусловлено опасностью поражения движущимися элементами, электрическим током, тепловыми, электромагнитными, ионизирующими излучениями,

шумом, вибрациями, ультразвуком, инфразвуком, вредными парами и газами,

пылью и др. Размеры опасной зоны могут быть постоянными и переменными.

Границы зон действия опасных и вредных факторов определяются их допустимыми значениями (нормами). При проектировании технологических процессов и технических средств необходимо учитывать вероятности и уровни экспозиции опасных и вредных факторов.

Рассмотрим некоторые наиболее опасные факторы. 1. Шум. инфра- и ультразвук.

Нормируемыми параметрами постоянного шума являются уровни зву-

кового давления /УЗД/ L, дБ, в октавных полосах со средними частотами 58. 125, 250. 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц или уровни звука La, дБа, а

непостоянного - эквивалентные и максимальные уровни звука La экв. и

максимальные уровни звука La max, дБа .

Эквивалентный (по энергии) уровень звука La экв непостоянного шума -

уровень звука постоянного широкополосного шума, имеющий то же среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени.

Максимальный уровень звука La max - уровень звука, соответствующий максимальному показанию шумомера в течение 1% времени измерения.

108

Таблица 2

Предельные уровни звукового давления

109

В соответствии с санитарными нормами N3077-84 допустимого шума в жилых помещениях, общественных зданиях и на территории жилой застройки шум промышленных предприятий, технологических установок, транспортных средств и т.п. не должен превышать уровней, приведенных в таблице 2.1.

Нормирование инфразвука в окружающей среде производят по нормам СННиП-42-128-4948-89.

Нормируемыми параметрами постоянного инфразвука являются уровни звукового давления, которые в заданных октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 , 31, 5 Гц не должны превышать

90 дБ, а в 1/3 октавных полосах со среднегеометрическими частотами 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3;. 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40 Гц не должны превышать 80 дБ. Внутри жилого здания уровень инфразвука не нормируется.

Нормируемыми параметрами непостоянного инфразвука являются эк-

вивалентные (по энергии) уровни звукового давления L в октавных или 1/3

октавных полосах с указанными средними частотами.

Для ориентировочной оценки уровня инфразвука можно использовать значение общего уровня звукового давления по шкале "Линейная" и значение уровня звука, определяемое по шкале А шумомеров нулевого, первого классов.

Степень выраженности инфразвука определяется по разности Lлин-Lа: 6-10 дБ

- признаки наличия инфразвука: 11 - 20 дБ -умеренно выражен: 21 - 30 дБ -

выражен; более 50 дБ - значительный.

В соответствии с ГОСТ уровни звуковых давлений в диапазоне частот:

11-20 кГц - не должны превышать 75-110 дБ, а общий уровень звукового давления в диапазоне частот 20-100 кГц не должен быть выше 110 дБ.

2. Вибрации.

Допустимые уровни вибрации в жилых домах, условия и правила их измерения и оценки регламентируются "Санитарными нормами допустимых вибраций в жилых домах".

Основные нормируемые параметры вибрации – среднеквадратичные величины Lv (дБ) уровней виброскоростей в октавных полосах со

110