Niezawodność i bezpieczeństwo systemów inż. WYKŁADY 2013/14

W I

Niezawodność – wg PN, jest to własność obiektu charakteryzująca jego zdolność do pełnienia określonych funkcji, w określonych warunkach i w określonym przedziale czasu

Niezawodność – właściwość wyrobu polegająca na zdolności do wypełniania założonych funkcji, przy zachowaniu swoich wskaźników eksploatacyjnych w określonych granicach (wymagany czas lub ilość pracy)

Niezawodność konstrukcji wg ICSS:

Elementy konstrukcji powinny być zaprojektowane tak żeby z odpowiednim stopniem niezawodności mogły:

- oprzeć się działaniom, które mają zajść podczas budowy i użytkowania

- zachować się właściwie w normalnych warunkach użytkowania

- utrzymać konstrukcyjną całość w razie wypadku tj. pożar, wybuch lub miejscowe uszkodzenie

Nie jest możliwe stworzenie obiektu absolutnie niezawodnego – nie można przewidzieć wszystkich oddziaływań i ich siły, brak pełniej wiedzy jakie procesy będą zachodzić w obiekcie, nie można całkowicie wyeliminować wad materiałowych i błędów wykonawczych.

Bezpieczeństwo – brak cech które mogą powodować śmierć, obrażenia, długotrwałą chorobę, zniszczenie bądź utratę wyposażenia lub mienia.

ICOLD definiuje bezpieczeństwo jako zdolność budowli zbiornika i strefy poniżej zapory do spełnienia wymaganych zachowań, formułowanych z punktu widzenia środowiska, konstrukcji, hydrauliki i eksploatacji w czasie przewidywanego okresu użytkowania zapory.

Bezpieczeństwo budowli wodnych:

- rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 20 kwietnia 2007r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne

- globalny wskaźnik ryzyka budowli wodnych ICOLD

- metoda Balcerskiego

W II

Przepływ miarodajny

- określenie wartości przepływu

• względy ekonomiczne

• względy bezpieczeństwa

• zbiornik o dużej rezerwie powodziowej

• statyczne wyznaczenie przepływów miarodajnych

- występowanie przepływów miarodajnych

Metoda Balcerskiego

- stopień gwarancji niezniszczenia budowli powinien być większy wraz ze wzrostem wielkości obiektu i wzrostem ewentualnych strat spowodowanych przez katastrofę

- ocena ważności budowli wg Balcerskiego na podstawie czterech parametrów: Q (przeciętny przepływ w profilu), H (max. piętrzenie na danym stopniu), V (pojemność zbiornika dla H_max), m (średnia gęstość zaludnienia poniżej zbiornika)

- czasowa miara trwałości budowli (okres technicznej amortyzacji) t₀

- miara ta jest uzależniona od materiału użytego do budowy:

• małe jazy betonowe o zamknięciach drewnianych t₀ = 30 lat

• jazy betonowe o zamknięciach stalowych t₀ = 60 lat

• zapory betonowe t₀ = 100 lat

• zapory ziemne t₀ = 150 lat

- wyznaczenie miarodajnej wielkiej wody z wykorzystaniem stopnia ważności w.

T = w * t₀ p% = 100%/T

T – prawdopodobieństwo wystąpienia wielkiej wody raz na T lat)

- wyznaczenie przepływu miarodajnego na podstawie metod hydrologicznych

Globalny wskaźnik ryzyka budowli wodnych ICOLD

Ryzyko – jest wskaźnikiem stanu lub zdarzenia, które może prowadzić do strat. Jest ono proporcjonalne do prawdopodobieństwa wystąpienia tego zdarzenia i do wielkości strat, które może spowodować

r = P * C

P – miara zawodności funkcjonowania systemu odpowiadająca kategorii częstości – prawdopodobieństwa

C – miara konsekwencji odpowiadająca kategorii skutków – szkód wyrażona w jednostkach finansowych

Szacowania ryzyka:

- dwuparametryczna matryca oceny ryzyka

- trójparametryczna matryca oceny ryzyka

- czteroparametryczna matryca oceny ryzyka

- pięcioparametryczna matryca oceny ryzyka

Dwuparametryczna ocena ryzyka

Matryca łączy w sobie punktową skalę prawdopodobieństwa zagrożenia ze skalą następstw

r = P * C

P – prawdopodobieństwo negatywnego wyniku

C – konsekwencje – straty względnie związane z wystąpieniem prawdopodobieństwa

Analizę ryzyka można przeprowadzić stosując następującą skalę:

- ryzyko tolerowane – liczba punktów od 1 do 2

- ryzyko kontrolowane – l. pkt. od 3 do 4

- ryzyko nieakceptowane – l. pkt. od 6 do 9

Trójparametryczna ocena ryzyka SZW

Ocena ryzyka Systemu Zaopatrzenia w Wodę

r = P * C * E

P – częstotliwość wystąpienia

C – skutki zagrożeń

E – ekspozycja zagrożenia

Czteroparametryczna ocena ryzyka

W czteroparametrycznej ocenie ryzyka uwzględniono systemy zabezpieczeń i monitoringu

P – waga punktowa związana z prawdopodobieństwem wystąpienia danego zdarzenia

C - waga punktowa związana z wielkością strat

N - waga punktowa związana z zagrożoną liczbą mieszkańców

O - waga punktowa związana z ochroną SZW przed nadzwyczajnymi zagrożeniami

W III

Teoria niezawodności pozwala opisać szereg zjawisk i procesów, które mają charakter stochastyczny np.

- zjawisk związanych z prawdopodobieństwem wystąpienia awarii

- stopniem gotowości obiektu do pracy

System – struktura zbudowana z elementów składowych (urządzeń, podzespołów, podsystemów)

System – zorganizowany zbiór elementów i połączeń między nimi. Charakterystyczną cechą systemu jest jego wielostanowość tzn. może on znajdować się w więcej niż jednym stanie pracy

Element – najmniejsza, niepodzielna część systemu. W rozumieniu niezawodnościowym jest to dowolna część systemu (przewód, zbiornik, zasuwa) której niezawodność jest określona bez rozpatrywania niezawodności części go budujących.

Element może znajdować się w jednym z dwóch stanów sprawności: sprawny lub niesprawny.

Obiekt – pojęcie pierwotne, określające z zależności od potrzeb element niepodzielny (obiekt prosty) lub grupę elementów tworzących pewną spójną część systemu (obkuty złożony)

Podział obiektów ze względu na możliwość usuwania uszkodzeń:

- obiekty naprawialne (odnawialne)

- obiekty nienaprawialne (nieodnawialne)

Obiekty naprawialne:

- z pomijalnym, krótkim czasem naprawy (odnowy)

- z istotnym czasem poprawy

Klasy wskaźników niezawodnościowych:

- nieuszkadzalność

- trwałość

- gotowość

- bezpieczeństwo

- efektywność

- odpowiedniość

- obsługiwalność

- naprawialność

Wskaźniki niezawodności

Podstawowe miary niezawodności można podzielić na dwie grupy:

- wskaźniki charakteryzujące niezawodność nieodnawialnych obiektów

- wskaźniki charakteryzujące niezawodność odnawialnych obiektów

Najczęściej stosowanymi wskaźnikami charakteryzującymi niezawodność nieodnawialnych obiektów są:

- prawdopodobieństwo poprawnej pracy R(t)

- niezachowanie stanu zdatności Q(t)

- funkcja gęstości rozkładu prawdopodobieństwa f(t)

- intensywność uszkodzeń λ(t)

Funkcja niezawodności R(t) jest prawdopodobieństwem tego że obiekt będzie pracował bez uszkodzeń co najmniej w przedziale (0 ; t)

R(t) = P(T>1)

t – czas w ciągu którego określa się prawdopodobieństwo poprawnej pracy obiektu

T – zmienna losowa oznaczająca czas pracy obiektu

Jeżeli funkcja R(t) jest ciągła i R(T=0) = 1 to można ją przedstawić w następującej postaci:

f() – gęstość rozkładu prawdopodobieństwa zmiennej losowej T

Klasy wskaźników niezawodności:

• nieuszkadzalności mierzona jest prawdopodobieństwem niewystępowania uszkodzeń w procesie eksploatacji obiektu w określonym przedziale czasu

• Miarami nieuszkadzalności są:

- średni czas do uszkodzenia

- intensywność uszkodzeń

• Trwałość obiektu – zdolność do zachowania istotnych właściwości w określonych granicach

• Miarami trwałości są:

- przedział czasu (okres użytkowania)

- liczba wykonanych czynności

- ilość wykonanej pracy

- długość przebytej drogi

• Miara gotowości obiektu jest to prawdopodobieństwo terminowego przystąpienia do realizacji zadań

W IV

Funkcja zawodności Q(t)

• Funkcja niezawodności Q(t) jest prawdopodobieństwem tego, że obiekt ulegnie uszkodzeniu w przedziale czasowym (0,t)

Q(t)=P(T<t)

• Rozpatrywany obiekt może być albo zdatny albo niezdatny. Zatemw dowolnej chwili t:

Q(t+R(t)=1

Funkcja gęstości prawdopodobieństwa f(t)

• funkcja gęstości f(t) stanowi wskaźnik nieuszkadzalności obiektów nienaprawialnych

$$f = \frac{d}{\text{dt}}Q\left( t \right) = Q^{'}(t)$$

lub

$$f = - \frac{d}{\text{dt}}R\left( t \right) = {Q - R}^{'}(t)$$

Funkcja intensywności uszkodzeń λ(t)

• funkcja intensywności uszkodzeń nazywana jest funkcją ryzyka, jest to względny spadek niezawodności w czasie

$$\lambda\left( t \right) = \frac{f(t)}{R(t)} = - \frac{- R^{'}(t)}{R(t)}$$

f(t)- gęstość rozkładu prawdopodobieństwa zmiennej losowej T

R(t)- prawdopodobieństwo poprawnej pracy

Funkcja intensywności uszkodzeń λ(t)

Oddziaływanie początkowych czynników wymuszających:

Przejawienie się usterek powstałych w procesie produkcji

Przejawienie się procesów zużycia i starzenia

Funkcja intensywności typu U

Wykorzystanie rozkładów teoretycznych do modelowania czasu zdatności obiektu

• Rozkład jednostajny

- granczy w przedziale czasu (0,k), czyli badany obiekt nie będzie działać dłużej niż k jednostek czasu

• Rozkład wykładniczy

Rozkład jednostajny- funkcja gęstości prawdopodobieństwa

$f\left( t \right) = \frac{1}{k}$ dla t należącego do przedziału (0,k)

Rozkład jednostajny – funkcja zawodności

$$Q\left( t \right) = \int_{0}^{t}{f\left( t \right)dt = \int_{0}^{t}\frac{1}{k}}dt = \frac{1\ }{k}\int_{0}^{t}{= \frac{t}{k}}$$

dla t należącego do przedziału (0,k)

Rozkład wykładniczy- funkcja niezawodności

$R\left( t \right) = 1 - Q\left( t \right) = 1 - \frac{t}{k} = \frac{k - t}{k}$ t w przedziale (0,k)

Rozkład jednostajny- funkcja intensywności uszkodzeń

λ(t)=$\frac{f(t)}{R(t)} = \frac{\frac{1}{k}}{\frac{k - t}{t}} = \frac{1}{k - t}$ dla t w przedziale (0,k)

Rozkład wykładniczy - funkcja niezawodności

R(t)=e^−λt dla t (0, ∞)

Rozkład wykładniczy- funkcja gęstości prawdopodobieństwa

f(t)= − R(t)=−(e^−λt)dla t ∈ (0, ∞)

Rozkład wykładniczy- funkcja intensywności uszkodzeń

$\mathbf{\lambda}\left( \mathbf{t} \right)\mathbf{=}\frac{\mathbf{f(t)}}{\mathbf{R(t)}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\lambda}\mathbf{e}^{\mathbf{- \lambda t}}}{\mathbf{e}^{\mathbf{- \lambda t}}}\mathbf{= \lambda\ dla\ t \in (0,\infty)}$

Rozkład Weibulla- funkcja gęstości prawdopodobieństwa

a1<1

a2>1

$\mathbf{f}\left( \mathbf{t} \right)\mathbf{=}\frac{\mathbf{a}}{\mathbf{b}}\mathbf{t}^{\mathbf{a}\mathbf{-}\mathbf{1}}\mathbf{\exp}\left\lfloor \mathbf{-}\left( \frac{\mathbf{t}}{\mathbf{b}} \right)^{\mathbf{a}} \right\rfloor\mathbf{\text{\ \ \ \ \ }}\mathbf{t}\mathbf{\geq}\mathbf{0}$

Rozkład Weibulla – funkcja zawodności

$$Q\left( t \right) = 1 - exp\left\lceil - \left( \frac{t}{b} \right)^{a} \right\rceil$$

a>0 parametr kształtu

b>0 parametr skali

a=1 rozkład wykładniczy

a>1 funkcja rosnąca

a<1 funkcja malejąca

Funkcja niezawodności

$$R\left( t \right) = 1 - Q\left( t \right) = exp\left\lbrack - \left( \frac{t}{b} \right)^{a} \right\rbrack$$

Rozkład Weibulla – funkcja intensywności uszkodzeń

$$\lambda\left( t \right) = \frac{f(t)}{R(t)} = \frac{a}{b}t^{a - 1}$$

W V

Estymator Kaplana-Meiera

$$R\left( t \right) = \prod_{t_{i} \leq t}^{}{(1 - \frac{d_{i}}{n_{i}})}$$

R(t)- funkcja niezawodności

d_i- bez awari

n_i- awarie

dla $\frac{d_{i}}{n_{i}} = const = \lambda = (1 - \lambda)^{t} \approx exp - \lambda t$

Wzór Weibulla

$$R\left( t \right) = exp\lbrack - \frac{\lambda\left( t \right)t^{0}}{p}\rbrack$$

λ(t)- intensywność uszkodzeń

p- parametr kształtu rozkładu (p>0)

Wzór Wienera

$$\lambda\left( t \right) = \frac{f(t)}{R(t)} = - \frac{R'(t)}{R(t)} \cong - \frac{d}{\text{dt}}lnR(t)$$

Po całkowaniu

R9t)=exp − ∫₀¹λ(t)dt

Λ(t)- intensywność uszkodzeń

Badania stanów kanałów

• Wzrost intensywności awarii 76-metrowych elementów rur betonowych w czasie był liniowy i wyniósł λ(t)=1,35*10^-5t a odcinków z rur kamionkowych był dwukrotnie wyższy λ(t)=2,70*10^-5t (zadanie, adekwatnego do projektu)

Obiekty odnawialne

• W modelu niezawodności elementu odnawialnego przyjmuje się, że po uszkodzeniu element podlega odnowie. Która może polegać na naprawie (regeneracji) elementu lub jego wymianie na nowy

• Niezależnie od sposobu wykonania odnowy przyjmuje się, że element po odnowie posiada takie same własności jak przed uszkodzeniem

Wskaźniki charakteryzujące niezawodność odnawialnych obiektów

• Obiekty odnawialne charakteryzują się dwoma rodzajami wskaźników zawiązanym odpowiednio ze stanem pracy lub odnowy

• Wskaźniki związane ze stanem pracy są tożsame ze wskaźnikami obiektów nieodnawialnych

• Jeżeli nie uwzględnimy czasu na przywrócenie zdatności, to ilościową charakterystyką obiektów odnawialnych mogą być parametry:

- strumienia uszkodzeń

- częstości uszkodzeń f(t)

- średni czas pracy między uszkodzeniami

- intensywność odnowy μ (t)

• Parametr strumienia uszkodzeń jest to stosunek ilości uszkodzonych obiektów w jednostce czasu do ilości badanych obiektów (wszystkie uszkodzone obiekty zastępowane są dobrymi):

$$\overset{\overline{}}{w(t)} = \frac{n(\Delta t)}{N(\Delta t)}$$

n(Δt)- liczba uszkodzonych obiektów w czasie

N- liczba badanych obiektów

Δt- przedział czasu

Intensywność odnowy

Liczba niesprawności losowych w jednostce czasuw stosunku do liczby niesprawności usuniętych wcześniej

$$\mu\left( t \right) = \frac{n(t,t + \Delta t)}{n(t)\Delta t}$$

n(t,t+Δt)- liczba obiektów, których odnowa zakończyła się w przedziale czasu (t,t+Δt)

n(t)- liczba obiektów, których odnowa zakończyła się do czasu t

Δt- przedział czasu, na jaki podzielono badane okresy odnowy

Bezpieczeństwo

• Rozróżniamy stany bezpieczeństwa:

- zawodność bezpieczeństwa

- niezawodność bezpieczeństwa

- zawodność sprawności lub zawodność funkcjonowania

• Miarami bezpieczeństwa są:

- prawdopodobieństwo (R_B) niewystępowania obiektu lub błędu jego działania. Powodującego zagrożenie jego bezpieczeństwa oraz obiektów z nim współpracujących, środowiska i życia ludzkiego

- prawdopodobieństwo (Q_B) występowania uszkodzenia obiektu lub błędu jego działania . powodującego zagrożenie jego bezpieczeństwa oraz obiektów z nim współpracujących, środowiska i życia ludzkiego

- prawdopodobieństwo (QS) występowania uszkodzenia obiektu lub błędu jego działania powodującego jedynie przerwę w jego funkcjonowaniu

Zagrożenia bezpieczeństwa:

- zagrożenia bezpieczeństwa

- zagr. bezp. obiektów współpracujących

- zagr. bezp. środowiska- na skutek uszkodzenia obiektu może wystąpić bezpośrednio lub pośrednio

- zagr. bezp. życia ludzkiego- na skutek uszkodzenia obiektu występuje poważne uszkodzenie ciała lub utrata życia ludzkiego.

• Zagrożenia bezpieczeństwa- na skutek występującego w systemie uszkodzenia może wystąpić szereg uszkodzeń wtórnych, albo mogą wystąpić inne procesy towarzyszące uszkodzeniu

• Zagrożenia bezpieczeństwa obiektów współpracujących- na skutek uszkodzenia danego obiektu może wystąpić bezpośrednie lub pośrednie zagrożenie obiektów z nim współpracujących

W VI

Ocena i sterowanie bezpieczeństwem – metoda AHP

• Metoda AHP wykazuje swoja przydatność szczególnie w sytuacjach:

- występuje hierarchia kryteriów oceny, reprezentujących różny poziom szczegółowości

- większość kryteriów oceny wariantów nie ma charakteru ilościowego lecz jakościowy, a ponadto znaczna cześć ocen jest obarczonych subiektywnością oceniającego

- występuje pełna….

• Metodę AHP realizuje się w czterech krokach:

- budowa modelu hierarchicznego. Dekompozycja problemu decyzyjnego i budowy hierarchii wyników wpływających na rozwiązanie problemu

- ocena przez porównania parami . Zebranie ocen porównania parami kryteriów oraz wariantów decyzyjnych, przez zastosowanie względnej skali dominacji przyjętej w metodzie AHP

- wyznaczenie preferencji globalnych i lokalnych. Określenie wzajemnych priorytetów (istotności) w odniesieniu do kryteriów i wariantów decyzyjnych przez obliczenia za pomocą oprogramowania AHP lub arkusza kalkulacyjnego

- klasyfikacja wariantów decyzyjnych. Wyznaczenia uporządkowania wariantów decyzyjnych ze względu na ich udział w realizacji celu nadrzędnego\

Obiekty złożone

• Jeżeli niezawodność elementów wyznacza jednoznacznie niezawodność systemu, można mówić, że określona jest struktura niezawodności systemu (obiektu złożonego)

• Struktura niezawodności systemu przedstawia zatem sposób wzajemnych powiązań elementów określających zależność uszkodzeń systemu od uszkodzeń jego elementów

• Strukturą niezawodnościową danego systemu (obiektu złożonego) opisuje się tzw. funkcją strukturalną systemu

• Strukturę niezawodnościową złożonych systemów technicznych można analizować różnymi metodami. Najczęściej korzysta się ze schematu blokowego i zapisu analitycznego

• W przypadku wielu struktur złożonych nie można przedstawić ich struktury za pomocą schematu blokowego, wprowadza się wówczas pojęcie pseudostruktury i korzysta z tzw. Ścieżek zdatności i przekrojów niezdatności

• W omawianych modelach można założyć , że każdy element systemu może być w jednym z dwóch możliwych stanów: w stanie zdatności i w stanie niezdatności

• Wówczas dla elementu x_i(i=1,2,…n)

φ(x) = φ(x₁x₂…x_n)

φ = 0 − system niezdatny

φ = 1 − system zdatny

Struktury niezawodnościowe obiektów

- szeregowa

- równoległa

- mieszana (szeregowo-równoległa)

- mieszana (równoległo-szeregowa)

Struktury niezawodnościowe obiektów:

1. Struktura szeregowa – do sprawności systemu konieczna jest sprawność wszystkich elementów (bloków) np. ogniw łańcucha.

$$\text{Rs}\left( t \right) = \prod_{i = 1}^{n}R_{i}$$

R_AB = R₁ • R₂

1. Struktura równoległa – do sprawności systemu wystarczy sprawność jednego dowolnego elementu, uszkodzenie następuje z chwilą uszkodzenia wszystkich elementów (bloków) systemu.

$$R_{S}(t) = 1 - \prod_{i = 1}^{n}\left( 1 - R_{i} \right)$$

R_AB = 1 − (1−R₁) • (1−R₂)

1. Struktura mieszana (szeregowo – równoległa) – otrzymuje się przez szeregowe połączenie ze sobą wielu podsystemów o strukturze równoległej.

2. Struktura mieszana (równoległo – szeregowa) – charakteryzuje się równoległym połączeniem kilku podsystemów o strukturze szeregowej

3. Struktura złożona.

W VII

Rodzaje ryzyka:

- siły wyższej

- obiektywne i subiektywne

- psychologiczne

- osobowe i majątkowe

- statyczne i dynamiczne

- ekologiczne

-ekonomiczne

- medyczne, epidemiologiczne i farmaceutyczne

- informatyczne

• Ryzyko siły wyższej jest związane ze zdarzeniami, których skutkom ni można zapobiec (klęski i katastrofy żywiołowe, wypadki związane z konfliktami społecznymi, awarie w zakładach produkcyjnych)

• Ryzyko obiektywne jest indywidualną oceną szansy wystąpienia określonego rezultatu ( spożywanie wody bezpośrednio z kranu)

• Ryzyko subiektywne zależy od postrzegania ryzyka obiektywnego , może być tożsame z ryzykiem obiektywnym

• Ryzyko psychologiczne występuje w dwóch obszarach

- obszarze zachowania w warunkach realizacji ryzyka

- obszarze zachowania związanym z gotowością do podejmowania ryzyka . Łatwiej akceptuje się ryzyko, które można kontrolować; dobrowolne jest łatwiej akceptowane niż narzucone

• Ryzyko osobowe i majątkowe jest następstwem działania ludzkiego o charakterze niezamierzonej winy i powoduje uszczerbek w dobrach osobistych

• Ryzyko ekologiczne jest związane z ekosystemem rozumianym jako konglomerat organizmów żyjących oraz środowiska przyrody nieożywionej , między którymi zachodzi przepływ energii i obieg materii (np. budowa zbiornika)

• Ryzyko statyczne występuje niezależnie od czasu (np. brak wody w studni)

• Ryzyko dynamiczne związane jest ze zdarzeniami losowymi ( Duzy wzrost cen za wodę z wodociągu może spowodować zaopatrywanie z innych źródeł-woda mineralna)

• Ryzyko ekonomiczne dotyczy szeroko pojętej działalności gospodarczej (produkcyjnej, handlowej). W strefie produkcyjnej ryzyko związane jest z ograniczeniem strat i maksymalizacja zysku, co w strefie handlowej wiąże się z marketingiem

• Ryzyko medyczne, epidemiologiczne i farmaceutyczne . dwa pierwsze rodzaje ryzyka charakteryzują się stopniem narażenia na choroby cywilizacyjne. Ryzyko farmaceutyczne charakteryzują badania nad lekami nowej generacji

• Ryzyko informatyczne jest związane jest z cywilizacją informatyczną (przestępczośc komputerowa, Tel-net , FTP…)

Podstawy oceny zapewnienia bezpieczeństwa

Rysuneeeek

Ocena ryzyka

Ilościowa półilościowa jakościowa

scenariusz awaryjny RZA scenariusz awaryjny RZA scenariusz awaryjny RZA

obliczenie wskaźnika ryzyka dla RZA Kategoryzacja: Czy zabezpieczenia są wystarczające

-wielkość skutków dla kontroli RZA?

-prawdopodobieństwo

- ryzyko

RZA- reprezentatywne zdarzenie awaryjne

Ocena ryzyka:

• Instrumenty jakościowej oceny ryzyka

- analiza rodzajów i skutków uszkodzeń

- analiza struktury bezpieczeństwa

• Przykładem jakościowej oceny jest tzw. metoda ekspertów oceny ryzyka, jest to subiektywna metoda oparta na wiedzy historycznej

• Instrumenty półilościowej analizy ryzyka

- analiza modeli markowskich

- metody symulacyjne (np. Monte Carlo)

• Instrumenty ilościowej analizy ryzyka (metody prabolistyczne(?) )

- analiza drzewa zdarzeń (ETA)

- analiza drzewa niezdatności (błędów i uszkodzeń) (FTA)

Analiza modeli markowskich:

• W metodzie tej wykorzystuje się graficzne zmiany stanów , będące graficznym przedstawieniem właściwości niezawodności systemu

• Modeluje on niezawodnościowe aspekty zachowania się systemu w czasie

• Za system uważa się pewną liczbę elementów, z których każdy może znajdować się tylko w jednym spośród stanów niezdatności albo zdatności. System jako całość może się jednakże znajdować w wielu różnych stanach.

W VIII

Metoda Monte Carlo

• W metodzie tej zmienne i parametry modeli ryzyka opisuje się przy pomocy odpowiednich rozkładów. Daje to możliwość uwzględnienia zmienności rozważonych wyników ryzyka

• Wynik w postaci rozkładu ryzyka dostarcza wiele informacji z punktu widzenia oceny niepewności – daje obrazowy pogląd w jakim stopniu niepewna jest prognoza

Analiza ryzyka metodą drzewa błędów i uszkodzeń (FTA)

• Drzewo uszkodzeń jest grafem przedstawiającym zależność między potencjalnym zdarzeniem krytycznym (wypadkiem) w systemie i jego przyczynami

• Budowa drzewa uszkodzeń polega na zdefiniowaniu zdarzenia szczytowego, a następnie na wyznaczeniu oraz analizie zdarzeń bazowych , uważanych za pierwotne przyczyny uszkodzenia systemu analiza metoda drzewa uszkodzeń może być jakościowa lub ilościowa w zależności od jej celu. Możliwymi wynikami analizy mogą być np.:

- zestawienie możliwych kombinacji wyników środowiskowych, błędów ludzkich, normalnych zdarzeń i uszkodzeń elementów, których rezultatem może być zdarzenie krytyczne w systemie.

- prawdopodobieństwo występowania zdarzenia krytycznego w określonym przedziale czasu

• Główne etapy FTA

- opisywanie systemu dla celów analizy FTA i ustalenie granic systemu

- identyfikacja zagrożeń i wybór zdarzenia szczytowego

- konstrukcja drzewa błędów

-analiza jakościowa drzewa błędów

- analiza ilościowa drzewa błędów

• Podstawowe symbole metody FTA:

- niepodzielne zdarzenie podstawowe

- blok opisu zdarzenia (wynikowego, inicjującego)

- bramka AND (i)-iloczyn logiczny

- bramka OR (lub) suma logiczna

- bramka wykluczenia(?) OR- Exclusive OR

- struktura nadmiarowa

Analiza ryzyka metodą drzewa zdarzeń (ETA)

• Drzewo zdarzeń jest graficznym modelem zależności przyczynowo-skutkowych występujących w rozpatrywanym problemie

• Przy budowie zdarzeń zakłada się, że określony skutek jest wynikiem ciągu zdarzeń

• Drzewo zdarzeń rozpoczyna się pewnym zdarzeniem inicjującym i przedstawia wszystkie możliwe ciągi zdarzeń będące następstwami zdarzenia inicjującego

• Model drzew zdarzeń pozwala na określenie jakie jest prawdopodobieństwo określonej sekwencji oraz całkowite prawdopodobieństwo występowania wypadku (?) w czynniku określonego zdarzenia początkowego

• Drzewo rysuje się poziomo, zdarzenia inicjujące umieszcza się z lewej strony, a por prawej kolejne zdarzenia sekwencji. Na rysunku drzewa zdarzeń wyodrębnia się obszary : nagłowek drzew zdarzeń, obszar drzewa zdarzeń

• Wyróżnia się dwie formy ETA:

- przedwypadkowa- może służyć do ustalenia zbiorów zdarzeń początkowych i oceny prawdopodobieństwa ich zajścia

- powypadkowa- do analizy zaistniałej awarii i identyfikacji niedoskonałości funkcjonalnej systemów bezpieczeństwa

W IX

Zagrożenia występujące w sieciach wodociągowych:

- zagrożenia związane z projektem rurociągu

-zagrożenia związane z budową rurociągu

-zagrożenia związane z eksploatacją rurociągu

Specyfikacja zarządzania ryzykiem dla rurociągów

Rodzaje zagrożeń	Charakterystyka zagrożenia	Stosowane zabezpieczenia
Zagrożenia związane z rodzajem i ilością przesyłanego medium	Pożary, wybuchy, wycieki do środowiska zależne od właściwości transportowanego medium	Zapobieganie poprzez właściwy projekt, budowe i eksploatację oraz minimalizację potencjalnych źródeł uszkodzeń
Związane z zarzadzaniem bezpieczeństwem	Błedy ludzkie w zakresie projektowania, budowy, konserwacji i eksploatacji	Systemy zarządzania bezpieczeństwa ,a w szczególności procedury operacyjne, szkolenia, plany ratownicze, systemy komunikacji ze społeczeństwem
Związane z projektem rurociągu	-błędy w usytuowaniu rurociągu, przebieg trasy, rodzaj gruntu, obecność miast i osiedli, lini energetycznych, cieków wodnych -niewłaściwy standard rozwiązań projektowych w zakresie wyboru aparatury, armatury -brak lub niepełna dokumentacja -nieodpowiednie biuro projektów	- zgodność z planem zagospodarowania przestrzennego -strefy bezpieczeństwa - naddatki na grubość ścian i wytrzymałości rur -wybór renomowanego biura projektów z certyfikowanym systemem jakości
Związane z budową rurociągu	-niewykonanie rurociągu zgodnie z akceptowanym projektem -źle wykonane testy dotyczące geometrii rurociągu, wytrzymałości	-pomiary geodezyjne - nadzór wykonawcy i inwestorów - weryfikacja specyfikacji materiałów - badania jakości spoin metodami ultradźwiękowymi i radiograficznymi -ochrona skuteczności ochrony katodowej
Związane z eksploatacją rurociągu	-niewłaściwe procedury operacyjne i awaryjne - brak odpowiedniego sprzętu	?

Wyznaczenie ryzyka związanego z awaryjnością sieci wodociągowej

• W przykładzie przedstawiono ryzyko na potrzeby funkcjonowania sieci wodociagowej z wykorzystaniem metody czteroparametrycznej

• W obliczeniach wykorzystano czteroparametryczną matryce szacowania ryzyka

$$r = \frac{S*I*U}{Z}$$

I-waga punktowa związana z intensywnością uszkodzeń λ

S - -------------------||------------------ z rodzajem sieci wodociągowej

Z- -------------------||---------------- z bepieczeństwem (ochrona sieci wodociągowej)

Wyznaczenie ryzyka związane z awaryjnością sieci wodociągowej

• Każdorazowo parametrom S, I, U i Z przypisuje się poziom wielkości za pomocą skali punktowej: niski L -1, średni M-2, wysoki H-3

• Kryteria wartościowania poszczególnych wag punktowych przedstawiają się następująco:

- intensywność uszkodzeń I:

$$I \leq 0,5\ uszk.\frac{}{\text{km}} \bullet rok:I = L = 1$$

$$0,5 < I \leq 1,0\frac{\text{uszk}}{\text{km}} \bullet rok\ I = M = 2$$

$$I > 1,0\frac{\text{uszk}}{\text{km}} \bullet rok\ I = H = 3$$

- rodzaj sieci wodociągowej S

Połączenie domowe S=L=1

Sieci rozdzielcze S=M=2

Sieci magistralne S=H=3

- uciążliwość wykonawstwa naprawy U rurociągu na terenie niezurbanizowanym U=L=1, rurociąg w pasie rucho pieszego (chodnik) U=M=2

- zabezpieczenia (ochrona sieci wodociągowej) Z

Specjalne Z=H=3

Standardowe Z=M=2

Żadne Z=L=1

W X

Wyznaczenie ryzyka związanego z awaryjnością sieci wodociągowej

Kategorie ryzyka i skala punktowa:

Skala opisowa	Wartości liczbowe
Tolerowane	0,33<r<3,0
Kontrolowane	4,0<r<8,0
nieakceptowalne	9,0<r<27

Ryzyko związane z funkcjonowaniem operatora systemu inż.:

• klasyfikacja zachowania operatora systemu inż.:

- wyprawa- odruchowe wykonywanie czynności nabytych w czynniku doświadczeń praktycznych

-reguła- wykonywanie mniej oczywistych działań wg. określonych reguł, opracowanych dla scenariuszy przewidywalnych sytuacji

- wiedza- działanie w sytuacjach, w których wzorce praktyczne lub reguły postępowania nie mają bezpośredniego zastosowania; diagnozowanie stanu oraz podejmowanie decyzji w odmiennej sytuacji

• klasyfikacja niewłaściwego zachowania operatora systemu inż.:

- pomyłka- niezamierzone działanie lub mylne zrealizowanie decyzji

- zapomnienie- odstępstwo od kolejnego kroku w algorytmie postępowania wynikające z chwilowego zaniku pamięci, zapomnienia

• błędy mogą przyjmować charakter:

- decyzje i działania powodujące zdarzenia niepożądane

- niepodjęcie decyzji lub działań, które zapobiegłyby wystąpieniu zdarzeń niepożądanych

• Rodzaje błędów

- błędy aktywne- o skutkach natychmiastowych

- błędy o skutkach odroczonych (planistyczne, organizacyjne)

• Można wyróżnić następujące błędy pominięcia (pominięcie całego zadania lub kroku w zadaniu)

- selekcja-wydanie błędnej decyzji

- sekwencja- działanie w niewłaściwej kolejności

- czasowe- działanie zbyt wcześnie lub zbyt późno

- ilościowe- zbyt mało lub zbyt dużo

• Prawdopodobieństwo popełnienia błędu:

PBO=2^(n-1)*P

P- prawdopodobieństwo popełnienia błędu przez operatora

n-liczba błędnych prób poprawy błędnej decyzji operatora

Im PBO przyjmuje wartości bliższe jedności tym większa dezorientacja i utrata kontroli nad systemem

• metoda przewidywania błędu operatora THERP przez szacowanie prawdopodobieństwa błędu przez operatora PBO

- prawdopodobieństwo obliczane z wykorzystaniem analizy drzewa zdarzeń

- metoda pozwala analizować wpływ błędu operatora na miary ryzyka związanego z funkcjonowaniem analizowanego obiektu

• analizę niezawodności operatora z wykorzystaniem metody THERP można podzielic na 5 etapów

- określenie potencjalnych zdarzeń niepożądanych

- analiza procedur do wykonania przez operatora możliwych błędów

- oszacowanie prawd. błędu operatora

- ocena wpływu błędu operatora na niezawodność badanego obiektu

-propozycje modyfikacji sprzyjające ograniczeniu możliwości popełnienia błędu

Zarządzanie ryzykiem:

jest to koordynowanie elementów danego obiektu inż. i jego operatorów z wykorzystaniem dostępnych środków w celu osiągnięcia poziomu ryzyka tolerowanego w sposób jak najbardziej efektywny pod względem techniczno-ekonomicznym i niezawodnościowym

• proces zarządzania ryzykiem składa się z :

- sterowanie ryzykiem

-administrowanie ryzykiem

- monitorowanie ryzyka

- finansowanie ryzyka

• sterowanie ryzykiem- analiza ryzyka (identyfikacja zagrożeń, określenie prawd. niebezpieczeństwa , ocena ryzyka), podejmowanie ryzyka (reakcja na ryzyko, akceptacja, eliminacja)

• Administrowanie ryzykiem- dokumentacja awarii i wszystkich negatywnych zdarzeń, opracowanie planu reagowania w sytuacjach awaryjnych, opracowanie harmonogramu konserwacji i modernizacji elementów danego obiektu

• monitorowanie ryzyka- korekta oraz aktualizacja metod analizy ryzyka i wszelkich danych potrzebnych do takiej analizy, uwzględniająca dynamikę rozwoju i zmieniające się czynniki zewnętrzne

• finansowanie ryzyka- zabezpieczenie środków finansowych w budżecie przedsiębiorstwa na koszty związane z realizacją ww. procesów oraz finansowanie systemu ubezpieczeń

W XI

interdyscyplinarne zarządzanie ryzykiem:

• współcześnie w efekcie zarządzania powinno być uzyskanie możliwości sterowania ryzykiem i sprowadzeni go do poziomu tolerowanego

• przypadku SZW w celu skoordynowania sterowania ryzykiem należy zintegrować następujące czynniki: produkcja, logistyka, badania, rozwój

• strategiczne ryzyko produkcyjne związane jest z decyzjami inwestycyjnymi firmy wodociągowej oraz szeroko pojęta ochrona źródła wody

• celem zabezpieczenia logistycznego w sytuacjach kryzysowych jest zapewnienie organizacyjnych warunków, sprawnego i efektywnego działania w ramach reagowania kryzysowego adekwatnego do poziomu zagrożenia

• prowadzenie badań odbywa się pod presją ryzyka technologicznego i rynkowego

- ryzyko technologiczne wiąże się z niepewnością co do poprawności szansy pozytywnego efektu wdrożenia w przyszłości

- ryzyko rynkowe odnosi się do braku pewności , czy w ogóle da się sprzedać efekt badań

• rozwój ukierunkowany jest na wykorzystanie osiągnięć naukowych (ryzyko związane z niedostrzeganiem przez kierownictwo postępu technicznego, nowych technologii

Metody reagowania na ryzyko:

• transfer ryzyka- przeniesienie konsekwencji lub odpowiedzialności związanych z ryzykiem przez firmę na Iny podmiot. Podmiotami takimi mogą być firmy ubezpieczeniowe, konsumenci

• łagodzenie ryzyka- podejmowanie działań prewencyjnych związanych z ograniczeniem ryzyka

• eliminacja ryzyka- podjęcie decyzji eksploatacyjnej lub rozwiązania projektowego obarczonego mniejszym ryzykiem niż pozostałe

• tolerowanie ryzyka: aktywne lub pasywne

- pasywna akceptacja polega na jego udokumentowaniu, cała odpowiedzialność za konsekwencje spoczywa na decydentach

- aktywna akceptacja to również odpowiedzialność jego istnienia. Zarządzający obiektem przygotowują plany działania na wypadek pojawienia się danego rodzaju ryzyka

Redukcja ryzyka:

• redukcję ryzyka pierwotnego uzyskuje się poprzez zaprojektowanie i wdrożenie działań ograniczających wielkość możliwych negatywnych skutków lub zmniejszenie prawdopodobieństwa ich powstania

• ryzyko wtórne otrzymuje się na podstawie algorytmu redukcji ryzyka pierwotnego według danej procedury

ryzyko pierwotne

rozpoznanie zagrożeń ocena możliwych skutków zagrożeń

projekt redukcji ryzyka

działania redukujące ryzyko

ryzyko wtórne

• Bezpieczeństwo funkcjonowania SZW jest realizowane na 3 poziomach

- poziom zapobiegania – niedopuszczenie do warunków prowadzących bezpośrednio do zagrożenia SZW (analiza awaryjności sieci, sprawność procesu uzdatniania wody)

- poziom ochrony- ochrona jakości wody z wodociągu publicznego (badania jakości wody)

- poziom przeciwdziałania- minimalizacja skutków wystąpienia RZA (reprezentatywne zdarzenie awaryjne)

Zadaniem każdego poziomu bezpieczeństwa jest ograniczenie ryzyka

Analiza przyczyn i skutków wad –FMEA

• FMEA( Failure Mode and Effect Analysis)- polega na szacowaniu ryzyka pojawienia się wad i błędów, ocenie ich znaczenia (konsekwencji) i możliwości wczesnego wykrywania i proponowaniu na tej podstawie rozwiązań prewencyjnych lub korygujących z uwzględnieniem krytyczności wad/błędów.

W XII

Zastosowanie metody FMEA w analizie jakości wody do spożycia

• w metodzie FMEA losowości zdarzeń niepożądanych można obliczyć z wykorzystaniem liczbowej oceny ryzyka LOr:

LOr=M*Z*S

M- prawdopodobna możliwość pojawienia się danego wskaźnika zanieczyszczenia powyżej normatywnej wartości

Z-prawdopodobieństwo wykrycia zanieczyszczenia

S- prawdopodobieństwo dotkliwości skutków dla odbiorników wod,i jest związana ze sposobem korzystania z wody wodociągowej

Zastosowanie metody FMEA w analizie jakości wody do spożycia

• każdemu z trzech zdarzeń przypisuje się prawdopodobieństwo od 0 do 10. LOr może przyjmować wartości od 0 do 1000

• przyjmuje się, że dla LOr>100 należy podjąć działania zaradcze

• analizę FMEA można przeprowadzić w skali makro i mikro

• metoda FMEA w skali makro składa się z etapów:

- zebranie materiałów źródłowych-zdefiniowanie problemu

- dokonanie podziału procesu na elementy składowe

- analiza elementu składowego pod względem bezpieczeństwa i przydatności funkcjonalnej z wykorzystaniem trzech kryteriów:

LRW- liczba ryzyka pojawienia się wady związanej ze złą jakością wody

LRO- liczba ryzyka odkrycia wady

LRN- liczba ryzyka następstwa wady

- obliczenie liczby priorytetowej ryzyka LPR

LPR=LRW*LRO*LRN

z przeprowadzeniem badań korygujących przed ponowną analizą FMEA

Analiza w Warszawie:

• uszkodzenie sieci rozdzielczej z podłączeń wodociągowych nie ma dużego wpływu na niezawodność PsDW

• magistrale mające decydujący wpływ na niezawodność prac podsystemu zbudowane są w układach pierścieniowych , co daje pewien komfort w przypadku poważniejszych awarii

• określenie niezawodności SZW wymaga sprecyzowania wartości niedoboru, który powoduje stan uważany za „stan klęski”

• stan taki charakteryzuje się brakiem wody w zb. wodnym surowej oraz zb. wyrównawczych wody pitnej

• czynności wykorzystywane w celu zapewnienia bezp. systemu zaopatrzenia w wodę

• elementy składowe systemu zaopatrzenia w wodę

- podsystem dostaw wody

ujęcia wody

stacje uzdatniania wody

- podsystem dystrybucji wody

sieci wodociągowe

instalacje wewnętrzne wodociągowe

• ujęcia wody

- monitorowanie wskaźników jakości wody w źródle, w strefie ochrony pośredniej (dot. wód powierzchniowych)

- badanie wskaźników jakości wody na ujęciu (wody powierzchniowe i podziemne)

- hodowla ryb w wodzie ujmowanej

- całodobowa ochrona uzbrojenia

• stacja uzdatniania wody

- pełny zakres badań fizykochemicznych i bakteriologicznych

- stały nadzór nad procesami technologicznymi

- hodowla jednokomórkowców w pracowniach bioindykacji

- całodobowa ochrona uzbrojenia

W XIII

Bezpieczeństwo zbiorników retencyjnych

• wg. Światowego Rejestru Zapór (ICOLD 1998r.) liczba zapór ( o wysokości >15m) na świecie wynosi 36235

• w 1900r. istniało zaledwie 427 wielkich zapór

• większość sztucznych zbiorników zaporowych powstała w 2 połowie XXw.

• istnieją zbiorniki zaporowe o pojemności >100km³ (np. Brack na Angarze w Rosji 169, Asuan an Nilu w Egipcie 169, Kariba na Zambezi w Zambii)

• w Polsce istnieje 19 zbiorników zaporowych o poj>50 mln m³

• Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór (ICOLD) ocenia, że na każde 100 zapór w ciągu 100 lat dwie ulegają katastrofie

• podstawowymi przyczynami uszkodzeń są wyniki:

- brak dostatecznej znajomości zjawisk przyrodniczych i właściwości materiałów na podłożu

- błędy techniczne popełnione na etapie wykonawstwa

-nieprawidłowa eksploatacji budowli hydrotechnicznych

• bezpośrednimi przyczynami awarii i katastrof budowli pietrzących mogą być:

- zbyt mała przepustowość urządzeń upustowych

- nieosiągnięcie obliczeniowej przepustowości urządzeń upustowych (awarie)

- niewłaściwa praca urządzeń przeciwfiltracyjnych, drenażowych w zaporach oraz wymywanie i wynoszenie materiału gruntowego zapór lub ich podłoża

- odkształcenia , nierównomierne osiadania, przekroczenie dopuszczalnych stanów naprężeń

- dynamiczne oddziaływanie wody (drgania, wibracje)

- długotrwałe lub ekstremalne zjawiska klimatyczne

- szkodliwe oddziaływanie wahań poziomów wody

-czynniki subiektywne (błędy obliczeniowe)

Uwarunkowanie prawa wykonania oceny stanu technicznego B.P. w Polsce

• podstawowym aktem prawnym jest ustawa z dnia 7 lipca 1994r. Prawo budowlane

• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie

• Artykuł 62 Ustawy Prawo Wodne

• obecnie brak jednoznacznego rozporządzenia regulującego zasady wykonania oceny stanu technicznego B.P.

• urzadzenie kontrolno-pomiarowe wg rozporządzenia Min. Środ z 20 kwietnia 2007r.