Методологические аспекты обеспечения безопасности сложных технических объектов в условиях ограниченных ресурсов

Сложные технические системы в своем развитии - от первоначальной идеи заказчика и генерального конструктора, до ее монтажа, или вывода из эксплуатации (списания), проходят ряд этапов: несколько стадий и циклов проектирования, изготовление опытных агрегатов и образцов систем, эксплуатация в различных режимах и внешних условиях. Неизбежное накопление инженерных или проектных ошибок, технологических отклонений, брака и физических дефектов в элементах конструкций и систем могут сокращать запланированный период нормального функционирования и эксплуатации, а также снижать безотказность функционирования. Сравнительные оценки затрат на устранения дефектов, которые обнаруживаются на различных стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации системы возрастают примерно в десять раз при сохранении не выявленного дефекта в системе, при переходе из одной стадии жизненного цикла в другую. В работе [1] отмечаются ошибки в отчете по безопасности ядерных реакторов WASH-1400, которые возникли на этапе проектирования одной из систем. Ошибка была обнаружена в дереве отказов, хотя документы с данными графическими материалами многократно проверялись и перепроверялись. Многолетняя практика эксплуатации сложных систем показывает, что важной задачей при поддержании объектов в состоянии работоспособности является организация и проведение технического обслуживания и различных видов ремонтов (восстановления) элементов систем. Организация "замедления" процессов старения дорогостоящих систем и обеспечение их безопасности требует пересмотра существующих методик и подходов, а также разработки качественно нового подхода - применения

моделей и методов системного анализа, процедур принятия решений для эффективного планирования технического обслуживания (ТО), выявления неисправностей и дефектов, планомерной организации замен.

Всегда присутствующий недостаток материальных и финансовых ресурсов привел к необходимости проведения исследований проблемы поддержки технического ресурса и безопасности систем с целью выявления возможных резервов как технического, так и организационного плана, анализа и совершенствования не всегда рациональных подходов и планирования продления ресурсов агрегатов и систем.

Основная идея по использованию существующих резервов ресурсных и финансовых возможностей состоит в том, чтобы к оцениванию технического состояния систем, планированию их технического состояния, планированию восстановления и ремонта элементов и систем, подойти избирательно (индивидуально), оценивая состояние отдельного элемента, узла, системы.

Анализ сведений (данных об отказах оборудования) по эксплуатации сложных систем показывает, что с течением времени (старением) доля отказов элементов и агрегатов возрастает, приводя к значительному росту затрат на организацию и проведение контроля систем. Избирательный подход также важен для уменьшения затрат ресурсов при организации контроля.

Проблема продления ресурса стареющих систем с учетом критерия безопасности является комплексной и состоит в проведении ряда этапов. На рис.1 представлена схема взаимосвязей различных функциональных задач, которые вносят наибольший вклад в обеспечение безопасности сложных объектов.

Основы обеспечения безопасности сложных объектов и управления ограниченными ресурсами

Критичность систем

При анализе безопасности сложных объектов значительное внимание уделяется вопросам определения критичности узлов и агрегатов систем. Проблема выявления критичных элементов особенно актуальна при анализе безопасности систем в условиях ограниченных ресурсов. Поскольку системы содержат большое количество элементов, то в условиях жестко ограниченных ресурсов обеспечить повышение надежности путем улучшения качества одновременно всех элементов не представляется возможным.

Однако разные подсистемы, агрегаты или системы играют при функционировании объекта далеко не одинаковую роль и отказы разных компонентов могут приводить к разным последствиям. Поэтому необходимо сосредоточить усилия на совершенствовании узлов, критичных элементов, играющих в обеспечении безотказности наиболее важную (ключевую) роль.

Вывод о возможности ремонта или замены только части элементов системы без необходимости проведения ремонтов других элементов базируется на методике анализа и ранжирования наиболее критичных элементов в составе системы.

Проблема ранжирования элементов системы может решаться различными способами и состоит в целенаправленном выявлении критичных элементов, подлежащих исследованию и выявлению дефектов на данном периоде восстановления.

Критичность системы (элемента) есть свойство элемента, отражающее возможность возникновения отказа и определяющее степень влияния на работоспособность системы в целом для данного ранга последствий.

Критичность не может быть определена только одними свойствами элемента, а должна определяться в рамках всего технического объекта, его функциональной структуры. Наиболее распространенными показателями, характеризующими критичность, являются структурная важность и важность в смысле надежности [1,2].

Часто в инженерной практике при анализе систем различного функционального назначения (космических систем, энергетических установок, трубопроводов, электрических кабелей и т.д.) критичность рассматривается как более широкое понятие - векторное свойство. Выделяются три общих основных составляющих критичности [2]:

1. надежность (безопасность);

2. последствия отказа;

3. возможность уменьшения вероятности возникновения и тяжести последствий.

Пусть K=(K₁...,K_j,...K_j*) (3) -
векторный показатель критичности, где K_j - j-й частный показатель, который отражает некоторую одну частную сторону, одну из характеристик объекта. Различные системы могут характеризоваться различными наборами частных показателей критичности. Эти частные показатели характеризуются как количественными показателями, так и могут принимать значения как лингвистические переменные.

Набор показателей K_j, принадлежащих К, может быть следующим:

· резервирование;

· возможность отказа;

· тяжесть последствий отказа;

· устойчивость элемента к воздействию внешних неблагоприятных факторов среды;

· контролируемость состояния элементов в ходе эксплуатации;

· продолжительность присутствия риска вследствие отказа;

· возможность локализации отказа и др.

Частные значения показателей критичности определяются различными видами шкал [2]. Пример частных показателей критичности и их шкалы приведен в табл.1

Таблица 3. Частные показатели критичности и лингвистические шкалы оценивания

Операция ранжирования элементов по степени критичности может осуществляться на различных уровнях структурирования объектов систем, агрегатов и узлов, частей конструкций и отдельных элементов на основе анализа морфологических блоков и структурных взаимосвязей [З]. Чем больше вес элемента, тем он важнее для обеспечения безопасности объекта.

Пусть в результате оценивания критичности элементов выделено множество критичных элементов

E={ e_j, j Є J}, J={1,..., n}, (4)

на надежность которых следует обратить особое внимание при решении задачи обеспечения безопасности объекта.

Формально задача ранжирования элементов по степени критичности с учетом одного или совокупности критериев относится к классу задач определения предпочтений многомерных альтернатив [4, 5, 6]. Ее решение в каждом конкретном случае зависит от типов систем, выбранных частных показателей критичности, экспертной информации и т.д.