Лекция №2. Технический и эргономический аспекты проблемы Безопасности мореплавания. (2ч)

Технический аспект

Техника – это реализация научных идей в конкретных устройст­вах или системах. Любое техническое устройство или система пред­назначены для решения определенной задачи. Степень уверенности в безотказной работе при использовании конкретного устройства назы­вается надежностью. Небезынтересно заметить, что, согласно Далю, слова "надежность" происходит от слова "надеяться".

Поскольку большинство судовых устройств или систем так или иначе связаны с обеспечением безопасности судна и экипажа, то, следовательно, уровень безопасности определяется надежностью этих систем. Показателем надежности является вероятность безотказной работы в течение определенного времени – время безотказной работы.

Из теории известно, что судно на плаву имеет шесть степеней свободы. Судно как система функционирующих элементов и их связей подвержено действию значительного числа возмущений, многие из которых носят случайный характер (например, нерегулярное ветро­вое волнение), в этих обстоятельствах поведение такой системы носит тоже вероятностный характер и описать это поведение можно только методами математической статистики и теории вероятностей.

Теория надежности утверждает, что абсолютно надежных систем нет и быть не может теоретически. Это означает, что надежность может быть сколь угодно высокой, но меньшей, чем 100%. В теории надежности утверждается также, что чем сложнее система, т.е. чем из большего числа элементов она состоит, тем меньше ее надежность. Аналитически это выражается так:

где Р - вероятность безотказной работы системы; р_i -вероятность безотказной работы i-гo элемента.

Современные технические системы состоит из очень большого числа элементов. Это должно было бы означать, что, (согласно формулы 1.), общая надежность судна весьма низка, так как произведение величин, меньших единицы, дает результат меньше меньшего. Однако это не так. Дело в том, что в любой сложной системе существует группа элементов, основным назначением которых является обеспечение дальнейшего функционирования системы в случае отказа какого-либо элемента. Это дублирование и предохранительные устройства. Примеры тому – установка нескольких независимых систем пожаро тушения, основного и аварийного источников питания, наличие спасательных средств разных конструкций, ручная и автоматическая подстройка частоты в РЛС и т.д.

Резервирование может быть "горячим" и "холодным". "Горячее! Резерви-рование –дублирующий элемент в любой момент готов к действию и включается мгновенно автоматически при отказе основного. Например, аварийное освещение, усиленный состав ходовой вахты, капитан во время лоцманской проводки и др.

"Холодное" резервирование – дублирующий элемент имеется, но к немедленному действию не готов. Для его запуска нужно некоторое время и определенные действия. Например, подвахта, несколько разновидностей спасательных средств, два якоря и т.д.

Во всех этих устройствах не было бы необходимости, если бы вероятность отказа основных элементов, обеспечивающих функционирование, была равна нулю. Но систему (как и ее элементы) с абсолютной надежностью создать практически невозможно. Поэто­му речь может идти только о повышении степени надежности и достижении в конечном итоге постав-ленной цели, несмотря на веро­ятность отказов. Одним из таких путей и является дублирование. Закономерно возникает вопрос;- сколько систем должны дублиро-вать друг друга, чтобы можно было быть уверенным в обеспечении безопас­ности? Правило "чем больше, тем лучше" принципиально неверно, что доказывается методами теорий вероятностей. Правила Регистра руко­водствуются именно такими методами при назначении, например, количества независимых систем пожаротушения на судах. Подсчита­но, что при 10 % -ной вероятности отказа каждой из систем количество независимых систем может не превышать двух, а при 30%-ной веро­ятности отказа –трех. Вероятность отказа 10% очень велика, и практически такая система применяться не может. В действитель­ности вероятность отказа ничтожна и не превышает 1–2%.При этих начальных условиях необходима установка всего одной системы пожаротушения. Из теории вероятностей известно, что вероятность наступления события, зависящего от нескольких независимых друг от друга причин, равна сумме вероятностей возникновения этих причин. В случае с несколькими автономными системами пожаротушения это может быть представлено в виде:

P = p₁ + (1—р₁ ) р₂+ (1—p₁)(1—p₂) pз + … + (1—p₁)(1—p₂)…. (1—p_n— 1) p_{n (2.)}

Данная формула справедлива при условии, что независимые систе­мы вступают в действие последовательно и только при отказе преды­дущих. Возвращаясь к нашему примеру и подставив числовые значения, условясь, что вероятности срабатывания всех систем одина­ковы и составляют 70%, получим Р = 0,7+0,21+0,063+0,02+0,01. При вероятности срабатывания систем 90% Р = 0,9+0,09+0,009....

формула (1.2) используется при оптимизации технических решений и показывает, что даже из недостаточно надежных элементов можно построить достаточно надежную систему. Теория, надежности утверждает, что существуют три пути повышения надежности технических систем: повышение надежности входящих в систему эле­ментов, наращивание уровней резервирования и наличие –запаса потенциала (мощности, прочности и т.д.).

Особое место среди всех элементов, составляющих систему "суд­но", занимают спасательные средства –коллективные и индивиду­альные. К сожалению, надежность их невелика. По данным ЦНИИМФа, надежность открытых спасательных шлюпок составляет 7% (0,07). При такой низкой надежности спасательного устройства резервирование, даже многоуровневое, ничего не даст. Здесь нужны другие технические решения, и они были найдены в виде спасатель­ных шлюпок сбрасываемого (ныряющего) типа, надежность которых оценивается уже в 70% (0,7).

В зависимости от важности устройства устанавливается двойное, тройное и т.д. резервирование, доводящее вероятность отказа до уровня значимости. Для обычных инженерных расчетов уровень значимости равен 0,01–0,05, для особо важных (ядерные реакторы, предохранительные клапаны, пас­сажирский авиатранспорт) –10^-6. Здесь уровень значимости –это наибольшая вероятность отказа, который при единичном испытании не происходит.

Из приведенных примеров видно следующее:

1. Установка каждой последующей системы повышает вероятность
достижения цели незначительно по сравнению с предыдущей, и,
начиная с какого-то момента, называемого оптимальным вариантом,
вероятность остается на одном уровне.

2. Существует оптимальный вариант по количеству систем, зависящий от первоначальной надежности их. Например, при надеж­ности 90% установка третьей системы нецелесообразна, так как она повышает вероятность достижения цели всего на 0,09%.

3. Чем выше надежность системы, тем меньшее число
дублирующих систем требуется, чтобы получить приемлемо высокую
вероятность достижения цели (тушение пожара).

При всем при этом важнейшее значение имеет, где будут уста­навливаться такие системы. И что допустимо на сухогрузном судне, может не годиться для танкера и, тем более, газовоза, и быть совер­шенно неприемлемым для пассажирского судна. При решении проб­лем, имеющих вероятностный характер, теория игр оперирует понятием полезности выигрыша и вредности проигрыша. Соотношение этих элементов определяет выбор того или иного решении. Но это справедливо лишь в том случае, если критерии оценки выигрыша ипроигрыша одни и те же. Решая не устанавливать дополнительную систему пожаротушения, мы экономим деньги, но в случае пожара теряем деньги в виде погибшего судна. Если же критерии оценки выигрыша и проигрыша различны, то проблема получает смещение в сторону других аспектов. Например, при решении вопроса об обеспечении безопасности пассажирского судна на первый план выступает и является решающим вопрос о человеческих жизнях, ценность которых несоизмерима ни чем. Поэтому самые жесткие требования предъявляются к пассажирским судам.