Общие принципы прогнозирования техногенного риска

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОИСШЕСТВИЙ

Глава 2.

Рассмотрим общую последовательность моделирования опасных процессов в техносфере с помощью диаграмм причинно-следственных связей типа "дерево происшествия" и "дерево событий" - возможных разрушительных исходов конкретных происшествий. При этом будем исходить из изложенных выше объективных представлений о природе опасности и принципах ее системного исследования. В качестве цели такого моделирования будем считать выявление закономерностей возникновения и предупреждения конкретных происшествий, а главных задач - априорную оценку размеров обусловленного ими техногенного ущерба и выработку оптимальных (по критерию минимума отношения "затраты/эффект") рекомендаций по его снижению.

Как уже упоминалось выше, самое широкое распространение в моделировании опасных процессов получили ныне диаграммы причинно-следственных связей, имеющие ветвящуюся структуру и называемые “деревом происшествия” и “деревом событий” – исходов интересующих нас происшествий. Под такими семантическими моделями подразумеваются не ориентированные, конечные и связные графы, не имеющие циклов. Из последнего следует, что каждая пара их вершин должна быть соединена таким образом, чтобы они одновременно не являлись началом одних и концом других замкнутых маршрутов (цепочек событий со связями между ними).

Дерево происшествия. Семантическая модель в форме дерева происшествия (см. рис. 2.1а) обычно включает одно головное событие, которое соединяется с помощью конкретных логических условий с промежуточными и исходными предпосылками, обусловившими в совокупности его появление.

Головное событие такого “дерева” представляет собой исследуемую аварию, несчастный случай или катастрофу, а его “ветвями” служат наборы соответствующих предпосылок - их причинные цепи. “Листья” же дерева происшествия - исходные события-предпосылки (ошибки, отказы и неблагоприятные внешние воздействия), дальнейшая детализация которых нецелесообразна.

а) дерево происшествия б) дерево событий - его исходов

Рис. 2.1. Модели диаграмм типа “дерево”

Процесс появления конкретного происшествия интерпретируется данной моделью как прохождение некоторого сигнала от каких-либо исходных предпосылок, инициирующих причинную цепь (служащих истоками такого сигнала), к головному событию, являющемуся его стоком. В качестве промежуточных состояний рассматриваемого дерева применяются предпосылки верхнего и последующих уровней, а узлов-регуляторов потока - логические условия сложения -"или" и перемножения -"и", используемые в булевой алгебре.

Дерево событий. Подобно дереву происшествия, дерево событий - его исходов (см. рис. 2.1б) также имеет одно событие, называемое центральным, и несколько исходящих из него ветвей. В качестве центрального события всегда рассматривается какое-либо происшествие (чаще всего - головное событие соответствующего дерева), а ветвей - сценарии причинения ущерба различным ресурсам, отличающиеся по условиям нежелательного высвобождения, распространения, трансформации и воздействия на них потоков энергии и вещества, высвободившихся в результате происшествия.

В отличие от дерева происшествия, дерево событий - его возможных разрушительных исходов не имеет логических узлов "и" и "или". В сущности, данная семантическая модель представляет собой вероятностный граф (многоярусное дерево решений), построенное таким образом, что сумма вероятностей каждого разветвления должна составлять единицу. Иначе говоря, все события каждого уровня должны образовывать полную группу независимых событий.

Символика. Как видно из рис. 2.1, при моделировании возможных происшествий и их разрушительных последствий с помощью диаграмм причинно-следственных связей типа “дерево”, обычно используется специальная символика. В ней исследуемые события изображаются в виде прямоугольника или окружности с надписями или цифровыми кодами, логические узлы – кругами с внутренними знаками: “+” (для логического условия “или”) и “·” (для условия “и”), а связи между ними – линиями, иногда со стрелками.

Методика прогнозирования техногенного риска. Общая процедурамоделирования и априорной количественной оценки среднего ущерба от техногенных происшествий с помощью диаграмм причинно-следственных связей типа "дерево" обычно включает совокупность итераций, каждая из которых состоит из следующих этапов:

1)выбор опасного процесса и уточнение цели его моделирования;

2)построение моделей типа "дерево происшествия" и "дерево событий - его исходов";

3)проведение качественного анализа моделируемого процесса;

4)количественная оценка техногенного риска (величины среднего ущерба), ожидаемого при осуществлении исследуемого процесса;

5)обоснование мероприятий по снижению техногенного риска.

Рассмотрим подробнее особенности реализации второго и последующих этапов прогнозирования техногенного риска, полагая, что под выбором опасного процесса подразумевается определение состава и структуры человекомашинной системы, используемой на производстве и транспорте, а также уточнение характера взаимодействия ее компонентов между собой и окружающей их средой.

2.2. Построение “деревьев” происшествия и его исходов

Особенности. Практика свидетельствует - наиболее ответственным и сложным этапом прогнозирования техногенного риска является построение древовидных семантических моделей процессов возникновения происшествий и причинения ими ущерба людским, материальным и природным ресурсам.

Это объясняется тем, что лишь адекватные реальности "деревья" позволят, при последующем их анализе, выявить все наиболее существенные предпосылки, количественно оценить как возможность появления происшествий, так и ожидаемый от них ущерб. Естественно, что без этого не мыслим ни сколько-нибудь точный прогноз соответствующего риска, ни выработка оптимальных мероприятий по снижению сопутствующего ему техногенного ущерба.

Сложность данного этапа обусловлена отсутствием в настоящее время строгих формальных процедур его реализации, что иногда позволяет относить этот этап скорее к искусству (эвристике), чем к науке. Дело в том, что обычно не удается обеспечить абсолютной идентичности моделей одного и того же происшествия, построенных различными исследователями. А без этого трудно ожидать требуемой в науке воспроизводимости результатов, полученных с помощью таких моделей.

Логика построения. Для преодоления указанных трудностей и облегчения построения рассматриваемых здесь моделей, нами предлагается способ формализации данной процедуры, основанный на использовании принятой выше энергоэнтропийной концепции. Данный способ базируется на двух утверждениях: а)происшествия всегда связаны с нежелательным высвобождением, трансформацией, распространением и губительным воздействием потоков энергии или вещества на различные объекты, оказавшиеся под их влиянием; б)любое происшествие является одновременно и результатом разрушительного выброса накопленного где-либо энергозапаса, и следствием цепи соответствующих предпосылок.

Каждое из этих утверждений может быть использовано при создании рассматриваемых здесь моделей. В частности, для дерева происшествия – второе, а для дерева его исходов – первое. Сформулируем общие рекомендации, пригодные вначале для моделирования происшествий, а затем – и ущерба от них в случае появления.

Из второго утверждения следует, что при определении состава элементов дерева происшествия и связей между ними, нужно руководствоваться следующими рекомендациями. Во-первых, данная модель должна состоять из одного, головного события - собственно происшествия (нежелательного высвобождения вещества или энергии) и множества предшествующих ему предпосылок - ошибок людей, отказов техники и неблагоприятных для них внешних воздействий. Во-вторых, в структуру этого дерева следует включать все те логически условные и безусловные связи между такими предпосылками, соблюдение которых необходимо и достаточно для возникновения конкретного разрушительного выброса энергозапаса.

Мы рекомендуем также использовать не прямую, а обратную последовательность прогнозирования предпосылок и условий, в совокупности приводящих к появлению моделируемых происшествий. Иначе говоря, построение дерева происшествия следует начинать не снизу вверх (от исходных ошибок, отказов и опасных внешних воздействий - к головному событию), а наоборот. При этом само головное событие, соответствующие ему предпосылки верхнего и последующих уровней, а также вызвавшие каждую из них причинные цепи необходимо выявлять дедуктивно - на основе знания общих закономерностей возникновения техногенных происшествий и особенностей их проявления в конкретных обстоятельствах.

Учитываемые факторы. Проведение работ на производстве и транспорте удобно рассматривать как функционирование человекомашинных систем, а основными носителями опасности считать их токсичные и взрывоопасные вещества, источники ионизирующих излучений, движущиеся предметы и сосуды, работающие под высоким давлением. Следовательно, выявление возможных происшествий необходимо увязывать с логикой нежелательного высвобождения их энергии и вещества, т.е. с известными законами энергомассообмена и термодинамики.

В свою очередь старение, загрязнение, увлажнение, перегрев или переохлаждение таких элементов по естественным причинам или в результате внешних воздействий нужно учитывать в качестве технических предпосылок к возможным авариям.

Другой важной группой предпосылок к техногенным происшествиям следует считать ошибочные действия, непроизвольно или умышленно допущенные людьми при конструировании, изготовлении, монтаже, техническом обслуживании и ремонте техники. При прогнозировании подобных предпосылок (в том числе трудно предсказуемых несанкционированных действий человека), нужно помнить, что все они могут быть обусловлены: а)внутренними причинами - отсутствием должных психологических установок, знаний и навыков, б)внешними для человека факторами - несовершенством используемых им оборудования и технологии, высокой напряженностью труда или неблагоприятными условиями рабочей среды.

Принципы контроля и оценки. Как свидетельствует опыт, при построении дерева происшествия целесообразно руководствоваться следующими правилами: 1)как можно четче определять условия появления головного события; 2)декомпозировать все сложные события-предпосылки; 3)уточнять время, место и причины возникновения каждой из них; 4)выявлять совместно действующие факторы и разделять их; 5)учитывать возможность обратных связей между элементами техники; 6) увязывать события-инициаторы причинных цепей с внешними факторами; 7)проверять достоверность принятых допущений и используемых исходных данных.

Построение дерева происшествия должно заканчиваться проверкой полноты образующих его событий и связей между ними. В ряде случаев на этом этапе моделирования проводят также дальнейшую формализацию полученной семантической модели - вводят буквенное или цифровое кодирование всех ее элементов. Использование таких кодов в качестве индексов событий "дерева", а символов "Ù", "Ú" - для обозначения их логического перемножения и сложения облегчает в последующем качественный и количественный анализ процесса, моделируемого деревом происшествия.

Особенности построения дерева событий. В завершение параграфа, укажем на особенности использования дереваисходов моделируемых выше происшествий и выдадим рекомендации, касающиеся порядка его построения и проверки адекватности реальному процессу. Прежде всего отметим, что и эта модель должна строиться, от центрального события к ветвям, олицетворяющим многообразные формы и способы причинения ущерба различным ресурсам. В качестве центрального события данной модели целесообразно рассматривать головное событие дерева происшествия.

При этом следует учитывать как можно большее число тех вариантов аварийного истечения, трансформации, распространения и разрушительного воздействия энергозапаса, которые в последующем могут быть обеспечены информацией о соответствующих параметрах: а)условных вероятностях или относительных частотах их проявления (безразмерные величины), б)высвободившихся массе вещества или количества энергии, в)площадях зон их распространения и разрушительного воздействия, г)находящихся в них людских, материальных и природных ресурсах.

В отличие от дерева происшествия, основным методом прогноза таких вариантов служит не дедукция, а индукция, т.е. воспроизведение всех тех последствий, которые могут иметь место, как не противоречащие объективно существующим законам природы. Каждый исход может рассматриваться не менее чем на трех этапах: 1)при истечении потоков энергии или вещества, высвободившихся в результате происшествия; 2)в ходе их распространения от источника выброса до близлежащих ресурсов, иногда - с учетом возможной трансформации соответствующих потоков; 3)в процессе поглощения (ингаляции или адсорбции) энергии и вещества с разрушительным эффектом для людских, материальных и природных ресурсов.

Морфология дерева исходов. Из вышеизложенного следует, что дерево событий – исходов каждого происшествия в общем случае должно состоять из трехуровней. На первом уровне могут прогнозироваться объемы неожиданно выброшенного вещества или количество нежелательно высвободившейся энергии – каждый со своей вероятностью или частотой. Основными учитываемыми здесь параметрами следует считать: накопленные запасы энергии и вещества, в том числе кинетическую и потенциальную энергию тела человека; возможность возможность ограничения утечки вещества или снижения потенциала энергии предусмотренными для этого приборами безопасности; гидравлическое и электрическое сопротивление каналов утечки и наполняемой потоками среды...

Второй уровень дерева исходов должен учитывать особенности неконтролируемого распространения и трансформации высвободившихся потоков энергии и вещества. При этом нужно рассматривать как возможное их преобразование в новой среде (например, мгновенный взрыв, интенсивный пожар или постепенное испарение пролитого сжиженного газа), так и появление новых источников опасности, сопутствующих такой трансформации - токсичных веществ, теплового импульса, избыточного давления и других поражающих факторов. Естественно, что основными учитываемыми характеристиками рассматриваемых здесь процессов следует считать свойства высвободившихся потоков энергии и вещества (их взрывоопасность, токсичность, стабильность), а также параметры среды, в которой они распространялись и поглощались различными объектами (плотность, метеоусловия, рельеф местности) и т.д.

Наконец, на третьем уровне следует прогнозировать ту разрушительную работу высвободившихся потоков и сопутствующих им факторов, которую они могут совершить с объектами, оказавшимися в зоне их воздействия. Особое внимание здесь необходимо уделять причинению не только непосредственного ущерба людям, их имуществу и природной среде, но и – косвенного, обусловленного нарушением производственных и естественно-природных связей между ними. Размеры совокупного ущерба определяются с учетом уровней поражающих факторов в соответствующих зонах, плотности и стойкости подвергнутых их вредному воздействию ресурсов, поглощенных ими доз энергии и вещества, своевременности проведения аварийно-спасательных и ремонтно-восстановительных работ.

Адекватность модели. Построение дерева событий - исходов происшествия также должно завершаться последовательной проверкой полноты рассмотренных вариантов истечения, распространения, трансформации и поглощения высвободившихся потоков. При этом следует руководствоваться правилами определения и деления понятий на классы, рекомендуемыми формальной логикой и теорией вероятностей вероятностей для независимых и зависимых событий. Соблюдение этих правил обеспечит адекватность полученной семантической модели реальным условиям причинения ущерба, а стало быть – и ее пригодность для последующего анализа исследуемого процесса.

2.3. Качественный анализ моделей типа “дерево”

Важным достоинством моделирования происшествий с помощью диаграмм типа "дерево" является, как указывалось выше, возможность обстоятельного анализа интерпретируемых им процессов. Вот почему, после построения деревьев происшествия и его исходов, обычно приступают к проверке их адекватности исследуемым опасным процессам, а затем к качественному и количественному анализу полученных семантических моделей.

Правила определения событий. Определение всех событий рассматриваемых здесь моделей (каждой предпосылки дерева происшествия и каждого исхода дерева событий) следует проводить лишь через наиболее существенные признаки. Прежде всего, для них необходимо указывать 1)родовую принадлежность, например - "гибель, увечье, временная потеря трудоспособности человека" - для различных исходов несчастного случая или "отказ, ошибка, нерасчетное внешнее воздействие" - для предпосылок к нему; 2)межвидовые отличия внутри рода - соответственно "по причине удара или захвата человека движущими частями, ингаляции или адсорбции вредного вещества" и "вследствие износа, усталости, стихийного бедствия".

В наименовании всех предпосылок и исходов каждой рассматриваемой здесь модели нужно избегать использования неясных слов и так называемых ошибок типа "круг в определении", т.е. попыток выразить содержание определяемых понятий через самих себя (например, "потребность это то, в чем нуждаешься, а нужда - то, что требуется"). Наконец, для выявления причинно-следственных связей между событиями диаграмм типа "дерево", следует руководствоваться принятыми в формальной логике методами: единственного сходства, единственного различия и их комбинацией, а также методами остатков и сопутствующих изменений[13].

Проверка правильности и полноты определения событий, учитываемых в диаграммах типа "дерево", позволяет приступить к их качественному анализу. Его основные задачи состоят в выявлении закономерностей возникновения и снижения ущерба от происшествий, т.е. в установлении, например, тех цепочек событий соответствующего дерева, реализация которых приводит к появлению либо к не появлению его головного события, а также в количественной оценке вклада интересующих нас событий-предпосылок.

Рассмотрим последовательно особенности качественного анализа каждого рассматриваемого нами дерева.

Анализ дерева происшествия с помощью минимальных сочетаний. Наиболее удобны для качественного анализа дерева происшествия так называемые "минимальные сочетания предпосылок", под которыми подразумевается минимально необходимое и достаточное для достижения конкретного результата их множество. Естественно, что нас интересуют два результата: возникновение и предупреждение происшествий. Поэтому ниже будем иметь дело с двумя типами минимальных сочетаний - пропускным (аварийным) и отсечным (секущим)[2].

Первое из них - минимальноепропускноесочетание (МПС) включает в себя наименьшее число тех исходных предпосылок дерева происшествия, одновременное появление которых достаточно для возникновения головного события (прохождения сигнала до него). Напротив,минимальноеотсечноесочетание(МОС) формирует условия не появления головного события. Это сочетание состоит из исходных событий рассматриваемого дерева, гарантирующих отсутствие происшествия, при условии не возникновения одновременно всех входящих в него событий-предпосылок. Особенностью обоих типов минимальных сочетаний служит то, что они теряют присущие им свойства при удалении из каждого такого сочетания хотя бы одного события.

Дата добавления: 2013-12-12