Природа и характеристика опасностей в техносфере

ТЕМА 1. ПРИРОДА И ХАРАКТЕРИСТИКА ОПАСНОСТЕЙ В ТЕХНОСФЕРЕ Техносфера - часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты (механизмы, здания, сооружения, горные выработки, дороги и т.д.) с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия социально-экономическим потребностям человека. Таким образом, в преобразовании участвуют техника, технические системы и используемая технология.  Под технической системой (объектом) понимается упорядоченная совокупность отдельных элементов, связанных между собой функционально и взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение некоторых заданных функций (достижение цели) при различных состояниях работоспособности. Объектами могут быть различные системы и их элементы, в частности: сооружения, установки, технические изделия, устройства, машины, аппараты, приборы и их части, агрегаты и отдельные детали. Упорядоченность означает, что относительно окружающей среды система выступает и соответственно воспринимается как нечто функционально единое. Признаком системы является структурированность, взаимосвязанность составляющих ее частей, подчиненность организации всей системы определенной цели (рис.1.1.1). Обязательным компонентом любой системы являются составляющие элементы (подсистемы) и само понятие элемента условно и относительно, так как любой элемент, в свою очередь, всегда можно рассматривать как совокупность других элементов. Любая система имеет, как правило, иерархическую структуру, т.е. может быть представлена в виде совокупности подсистем разного уровня, расположенных в порядке постепенности. При анализе тех или иных конкретных систем достаточным оказывается выделение некоторого определенного числа ступеней иерархии. Системы функционируют в пространстве и времени. Процесс функционирования систем представляет собой изменение состояния системы, переход ее из одного состояния в другое. В соответствии с этим системы подразделяются на статические и динамические. Статическая система - это система с одним возможным состоянием. Динамическая система - система с множеством состояний, в которой с течением времени происходит переход от состояния в состояние. С позиций безопасности задачи исследования технических систем заключаются в том, чтобы увидеть, каким образом элементы системы функционируют в системе во взаимодействии с другими ее частями и по каким причинам может произойти отказ, грозящий негативными последствиями для окружающей среды. Опасность - центральное понятие, как сферы безопасности жизнедеятельности в техносфере, так и промышленной безопасности. Под опасностью понимаются явления, процессы, объекты, способные в определенных условиях наносить вред здоровью человека, ущерб окружающей природной среде и социально - экономической инфраструктуре, т.е. вызывать нежелательные последствия непосредственно или косвенно. Другими словами, опасность - следствие действия некоторых негативных (вредных и опасных) факторов на определенный объект (предмет) воздействия. При несоответствии характеристик воздействующих факторов характеристикам объекта (предмета) воздействия и появляется феномен опасности (например, ударная волна, аномальная температура, недостаток кислорода в воздухе, токсичные примеси в воздухе и т.п.). Опасность - свойство, внутренне присущее сложной технической системе. Она может реализоваться в виде прямого или косвенного ущерба для объекта (предмета) воздействия постепенно или внезапно, и резко в результате отказа системы. Скрытая (потенциальная) опасность для человека реализуется в форме травм, которые происходят при несчастных случаях, авариях, пожарах и пр., для технических систем - в форме разрушений, потери управляемости и т.д., для экологических систем - в виде загрязнений, утрате видового разнообразия и др. Определяющие признаки - возможность непосредственного отрицательного воздействия на объект (предмет) воздействия; возможность нарушения нормального состояния элементов производственного процесса, в результате которого могут возникнуть аварии, взрывы, пожары, травмы. Наличие хотя бы одного из указанных признаков является достаточным для отнесения факторов к разделу опасных или вредных. Количество признаков, характеризующих опасность, может быть увеличено или уменьшено в зависимости от целей анализа.  АКСИОМЫ О ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Анализ реальных аварийных ситуаций, событий и факторов и человеческая практика уже сегодня позволяет сформулировать ряд аксиом об опасности технических систем: Аксиома 1. Любая техническая система потенциально опасна. Потенциальность опасности заключается в скрытом, неявном характере и проявляется при определенных условиях. Ни один вид технической системы при ее функционировании невозможно достичь абсолютной безопасности.  Аксиома 2. Техногенные опасности существуют, если повседневные потоки вещества, энергии и информации в техносфере превышают пороговые значения. Пороговые или предельно допустимые значения опасностей устанавливаются из условия сохранения функциональной и структурной целостности человека и природной среды. Соблюдение предельно допустимых значений потоков создает безопасные условия жизнедеятельности человека в жизненном пространстве и исключает негативное влияние техносферы на природную среду. Аксиома 3. Источниками техногенных опасностей являются элементы техносферы. Опасности возникают при наличии дефектов и иных неисправностей в технических системах, при неправильном использовании технических систем. Технические неисправности и нарушения режимов использования технических систем приводят, как правило, к возникновению травмоопасных ситуаций, а выделение отходов (выбросы в атмосферу, стоки в гидросферу, поступление твердых веществ на земную поверхность, энергетические излучения и поля) сопровождается формированием вредных воздействий на человека, природную среду и элементы техносферы. Аксиома 4. Техногенные опасности действуют в пространстве и во времени. Травмоопасные воздействия действуют, как правило, кратковременно и спонтанно в ограниченном пространстве. Они возникают при авариях и катастрофах, при взрывах и внезапных разрушениях зданий и сооружений. Зоны влияния таких негативных воздействий, как правило, ограничены, хотя возможно распространение их влияния и на значительные территории, например, при аварии на ЧАЭС. Для вредных воздействий характерно длительное или периодическое негативное влияние на человека, природную среду и элементы техносферы. Пространственные зоны вредных воздействий изменяются в широких пределах от рабочих и бытовых зон до размеров всего земного пространства. К последним относятся воздействия выбросов парниковых и озоноразрушающих газов, поступление радиоактивных веществ в атмосферу и т.п. Аксиома 5. Техногенные опасности оказывают негативное воздействие на человека, природную среду и элементы техносферы одновременно. Человек и окружающая его техносфера, находясь в непрерывном материальном, энергетическом и информационном обмене, образуют постоянно действующую пространственную систему "человек - техносфера". Одновременно существует и система "техносфера - природная среда". Техногенные опасности не действуют избирательно, они негативно воздействуют на все составляющие вышеупомянутых систем одновременно, если последние оказываются в зоне влияния опасностей. Аксиома 6. Техногенные опасности ухудшают здоровье людей, приводят к травмам, материальным потерям и к деградации природной среды. ТАКСОНОМИЯ ОПАСНОСТЕЙ Таксономия - слово греческого происхождения (taxis - расположение по порядку + monos - закон) - определяется в словаре иностранных слов как "теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей деятельности, имеющих обычно иерархическое строение". Таким образом, таксономия в науке - классификация и систематизация сложных явлений, понятий, объектов. Поскольку опасность является понятием сложным, иерархическим, имеющим много признаков, таксономирование их выполняет важную роль в организации научного зрения в области безопасности деятельности и позволяет познать природу опасностей, дает новые подходы к задачам их описания, введения количественных характеристик и управления ими. Представляется возможным привести примеры имеющихся таксономий опасностей: - по природе происхождения: природные, техногенные, антропогенные, экологические, смешанные; - производственные опасности: физические, химические, биологические, психофизиологические, организационные; - по времени проявления отрицательных последствий: импульсивные (в виде кратковременного воздействия, например удар) и кумулятивные (накопление в живом организме и суммирование действия некоторых веществ и ядов); - по месту локализации в окружающей среде: связанные с атмосферой, гидросферой, литосферой; - по сфере деятельности человека: бытовые, производственные, спортивные, военные, дорожно-транспортные и т.д.; - по приносимому ущербу: социальный, технический, экономический, экологический и т.д.; - по характеру воздействия на человека: активные (оказывают непосредственное воздействие на человека путем заключенных в них энергетических ресурсов); пассивно-активные (активизирующиеся за счет энергии, носителем которой является сам человек, неровности поверхности, уклоны, подъемы, незначительное трение между соприкасающимися поверхностями и др.); пассивные - проявляются опосредованно (к этой группе относятся свойства, связанные с коррозией материалов, накипью, недостаточной прочностью конструкций, повышенными нагрузками на оборудование и т.п. Проявляются в виде разрушений, взрывов и т.п.); - добровольные и принудительные опасности: воздействию опасностей можно подвергаться как добровольно, например, занимаясь горнолыжным спортом, альпинизмом или работая на промышленном предприятии, так и принудительно, находясь вблизи места событий в момент реализации опасностей. Такой подход позволяет выделять опасности производственные и непроизводственные (риск для населения); - по структуре (строению): простые (электрический ток, повышенная температура) и производные, порожденные взаимодействием простых (пожар, взрыв и т.п.). - по сосредоточению: сконцентрированные (например, место захоронения токсичных отходов) и рассеянные (например, загрязнение почвы осажденными из атмосферы выбросами тепловых электростанций). Наиболее существенные параметры среды обитания человека, имеющие значение для его нормальной и безопасной жизнедеятельности, таковы: а) температура; б) давление окружающего атмосферного воздуха; в) внешнее давление, оказываемое на отдельные участки тела; г) концентрация кислорода; д) концентрация токсичных или коррозионно-активных веществ; е) концентрация болезнетворных микроорганизмов; ж) плотность потока электромагнитного излучения; з) уровень ионизирующих излучений; и) разность электрического потенциала; к) звуковые нагрузки. Таксономия по виду энергетического носителя: а) механические - характеризуются кинетической и потенциальной энергией и механическим влиянием на объекты воздействия; к ним относятся: кинетическая энергия движущихся и вращающихся элементов, потенциальная энергия тел (в том числе людей, находящихся на высоте), шумы (ультразвук, инфразвук), вибрация, ускорения, гравитационная тяжесть, статическая нагрузка, дым, туман, ударная волна и др.; б) термические - характеризуются тепловой энергией и аномальной температурой; к ним относятся: температура нагретых или охлажденных поверхностей, открытого огня, пожара, химических реакций и др. источников; сюда относятся и параметры микроклимата, нарушающие терморегуляцию организма; в) электрические - электрический ток, статическое электричество, ионизирующие излучения, электрическое поле, аномальная ионизация воздуха; г) электромагнитные - освещенность, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация, электромагнитные излучения, магнитное поле; д) химические - едкие, ядовитые, огне- и взрывоопасные вещества, а также нарушение естественного газового состава воздуха, наличие вредных примесей в воздухе. Таксономия факторов, обусловливающих возможные отказы технических систем. Любая система эксплуатируется в определенных условиях окружающей среды; она испытывает воздействие факторов окружающей среды (климатических, динамических, биологических и др.), факторов нагрузки (режима работы и взаимодействие элементов), а также искусственных факторов (преднамеренное воздействие извне). Эти факторы могут привести к изменению параметров и состояния работоспособности отдельных элементов, узлов и системы в целом. Представляется целесообразным привести таксономию таких факторов [75]. 1. Перегрузка в результате недооценки действующей нагрузки: - снег и непродуманная его расчистка, наледи; - производственная пыль; - несоответствие фактических масс конструкций запроектированным; - ветер; - крановая нагрузка; - динамические воздействия нагрузки; - температурные воздействия.  2. Потеря устойчивости (общая и местная): - ошибки в расчетах, чертежах, нарушение правил производства работ; - слабая экспериментальная отработка проектных решений; - большая гибкость элементов, эксцентриситет при приложении нагрузки; - податливость монтажных стыков, несвоевременная или неправильная анкеровка опор; - температурные деформации при неправильном закреплении связей;  - недостаточная толщина листовых конструкций; - искажение геометрических формы конструкций (особенно тонкостенных); - неудачное крепление вант, оттяжек; - наличие вмятин и местных искривлений.  3. Неудачные проектные решения и отступления от проекта: - неудачный выбор расчетной схемы (несоответствие действительной работе конструкции); - низкая точность расчета; - недоработка узлов сопряжений; - занижение расчетной нагрузки по сравнению с реальной; - недооценка жесткости узлов; - недостаточная жесткость, прочность, устойчивость; - замена одного материала другим; - низкая квалификация исполнителей; - отсутствие авторского и технического надзора; - наличие концентраторов напряжений.  4. Некачественное изготовление и монтаж конструкций: - применение некачественных материалов; - низкое качество изготовления конструкций; - неправильный выбор способа и порядка монтажа; - несвоевременная постановка связей жесткости; - некачественная сварка; - нарушение технологии сварки в зимнее время; - ввод в действие сооружений с существенными недостатками.  5. Нарушение правил эксплуатации конструкций и сооружений: - отсутствие защиты конструкций, работающих в агрессивных средах (резкие температурные колебания и изменения влажности); - взрывы, пожары, затопления; - вибрации, удары, истирание; - отсутствие надлежащего инструментального контроля; - перегрузка производственной пылью; - увеличение нагрузки без усиления конструкций и регулирования напряжений в них.  6. Усталость, вибрация, коррозия и старение материала: - усталостные разрушения; - разрушения от старения; - вибродинамическое действие кранов, подвижного состава;  - загрязнение окружающей среды; - наличие поверхностных дефектов в конструкциях; - резкие колебания температуры; - осадки.  7. Дефектность оснований, на которые установлены конструкции: - неравномерная осадка сооружений, колонн; - дефекты кирпичной кладки; - наличие перекошенных закладных частей; - потеря устойчивости основания; - неравномерное промораживание грунта; - оттаивание грунта в зоне многолетнемерзлого грунта; - пучение грунта; - замачивание лессовидных грунтов; - блуждающие токи в грунте; - агрессивные грунтовые воды; - засоленные грунты; - дефекты инженерно-геологических изысканий. 8. Непредвиденные (непрогнозируемые) причины: - аварии от провалов, оползней, осыпей, обрушений вышележащих конструкций; - сейсмические воздействия и извержения вулканов; - грозовые разряды, град, падение метеоритов; - аварии от биологических вредителей; - ураганы, наводнения, цунами, ледоходы, сели; - ландшафтные пожары; - подмыв фундаментов, переувлажнение оснований.  Некоторые основные выводы. Опасности - многоаспектное явление, и трудно, а подчас и невозможно, рассматривать одни составные части опасности в отрыве от других. Необходимо иметь представление о том, каких последствий следует ожидать, насколько велика угроза для окружающей природной среды и для общества. АЛГОРИТМ РАЗВИТИЯ ОПАСНОСТИ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ Собственно процесс развития опасности можно описать следующей логической последовательностью: - нарушение технологического процесса, допустимых пределов эксплуатации, условий содержания и т.п.  - накопление, образование поражающих факторов, приводящих к аварии технические системы  - разрушение конструкции  - выброс, образование поражающих факторов  - воздействие (взаимодействие) поражающих факторов с объектом воздействия (с окружающей природной средой, человеком, объектами техносферы и пр.)  - реакция на поражающее воздействие.  В зависимости от особенностей технической системы отдельные элементы приведенной цепи могут отсутствовать. Каждому такому событию можно приписать частный показатель в виде вероятности события:  - вероятность отказа технической системы  - вероятность аварийного исхода  - вероятность образования поражающих факторов  - вероятность поражения объектов воздействия  - вероятность вторичных поражающих факторов  - вероятность воздействия  - вероятность поражения.  Из приведенной логической последовательности следует, что наличие потенциальной опасности в системе не всегда сопровождается ее негативным воздействием на объект. Любое исключение в цепи ведет к нереализации опасности. Для реализации опасности необходимо выполнение минимум трех условий: опасность реально действует (присутствует); объект находится в зоне действия опасности; объект не имеет достаточных средств защиты. ИСТОЧНИКИ ОПАСНОСТИ Источниками опасности (материальными носителями) являются: человек; объекты, формирующие трудовой процесс и входящие в него: предметы труда, средства труда (машины, станки, инструменты, сооружения, здания, земля, дороги, энергия и т.п.); продукты труда; технология, операции, действия; природно-климатическая среда (грозы, наводнения, солнечная активность и т.п.); флора, фауна. При анализе обстановки среды деятельности человека вырисовываются как внешние, так и внутренние источники опасности. Внешние источники - два рода явлений: состояние среды деятельности (технические системы) и ошибочные, непредвиденные действия персонала, приводящие к авариям и создающие для окружающей среды и людей рискованные ситуации. При этом разные факторы среды обитания воздействуют неодинаково: если техника и технологии могут представлять непосредственную опасность, то социально-психологическая среда, за исключением случаев прямого вредительства, влияют на человека через его психологическое состояние, через дезорганизацию его деятельности. Внутренние источники опасности обусловлены виктимностью - личными особенностями работающего, которые связаны с его социальными и психологическими свойствами и представляют субъективный аспект опасности (этот аспект более подробно рассматривается психологией безопасности деятельности). ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОПАСНОСТЕЙ Опасности носят потенциальный, т.е. скрытый характер. Под идентификацией (лат. indentifico) понимается процесс обнаружения и установления количественных, временных, пространственных и иных характеристик, необходимых и достаточных для разработки профилактических и оперативных мероприятий, направленных на обеспечение нормального функционирования технических систем и качества жизни. В процессе идентификации выявляются номенклатура опасностей, вероятность их проявления, пространственная локализация (координаты), возможный ущерб и др. параметры, необходимые для решения конкретной задачи. Методы обнаружения опасностей делятся на: - инженерный. Определяют опасности, которые имеют вероятностную природу происхождения. - экспертный. Он направлен на поиск отказов и их причин. При этом создается специальная экспертная группа, в состав которой входят разные специалисты, дающие заключение. - социологический метод. Применяется при определении опасностей путем исследования мнения населения (социальной группы). Формируется путем опросов. - регистрационный. Заключается в использовании информации о подсчете конкретных событий, затрат каких-либо ресурсов, количестве жертв. - органолептический. При органолептическом методе используют информацию, получаемую органами чувств человека (зрением, осязанием, обонянием, вкусом и др.). Примеры применения - внешний визуальный осмотр техники, изделия, определение на слух (по монотонности звука) четкости работы двигателя и пр. ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ Условия, при которых реализуются потенциальные опасности, называются причинами. Они характеризуют совокупность обстоятельств, благодаря которым опасности проявляются и вызывают те или иные нежелательные события - последствия. Формы нежелательного последствия различны - травмы, материальный ущерб, урон окружающей среде и др. "Опасность - причина - нежелательные последствия" - это логический процесс развития, реализующий потенциальную опасность в реальное нежелательное последствие. Как правило, этот процесс является многопричинным. ПОРОГОВЫЙ УРОВЕНЬ ОПАСНОСТИ Организмы и растения способны без вреда для себя переносить воздействие опасностей в определенных количествах, например, загрязняющих веществ, теплового излучения, вибрации. Их уровень, ниже которого болезненные реакции не наблюдаются, называют пороговым уровнем. При больших количествах проявляются отрицательные воздействия. Они зависят от величины опасной дозы (P), так и от длительности воздействия (экспозиции) опасности (t). При короткой экспозиции (малой длительности) переносимы более высокие уровни, т.е. пороговые значения для них могут быть выше и понижаться при более длительной экспозиции (рис. 1.12.1). Рис. 1.12.1 Для ряда опасностей, способных к биоаккумуляции, таких как, например, загрязнители элементов биосферы (тяжелые металлы, ДДТ), существуют определенные пределы, в рамках которых организм способен компенсировать их негативное воздействие. Именно такой подход заложен в ряд предельно допустимых значений - ПДУ (предельно допустимый уровень), ПДК (предельно допустимая концентрация) и др. Установление значений предельных доз воздействия базируется на подпороговых концентрациях веществ (или иных величин воздействия), при которых не наблюдается сколько-нибудь заметного отклонения или изменения функционального состояния организма, определенного точными и чувствительными физиологическими, биохимическими и патогистологическими методами, принятыми в современных медико-биологических исследованиях. Исходя из этого, предметом регламентирования при оценке влияния опасных и вредных факторов на безопасность жизнедеятельности человека является степень влияния факторов среды на характер и уровень изменений функционального состояния, функциональных возможностей организма, его потенциальных резервов, адаптивных способностей и возможностей развития последних. Для исключения необратимых биологических эффектов устанавливают нормируемые безопасные и предельно допустимые уровни или концентрации энергетического или биологического воздействия. При определении предельно допустимых значений приходится делать выбор между вероятностью нанести ущерб здоровью человека и экономической выгодой обеспечения более жестких нормативов. Пороговый уровень воздействия опасности существует и для технических систем, строительных конструкций, горно-технических сооружений и т.д. Он характеризуется способностью элементов технических систем, строительных конструкций и т.д. сопротивляться до определенного предела и в течение определенного времени негативным (разрушающим) воздействиям или полезным (рабочим) нагрузкам, сохраняя при этом свои заданные функции. Этот уровень оценивается качественными и количественными характеристиками материала элементов или систем в целом, именуемыми показателями надежности. ПОКАЗАТЕЛИ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Показатели надежности. К показателям надежности относятся показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности (изучает теория надежности). Эргономические показатели. Определяют систему взаимодействия "человек-машина" и характеризуют комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических, и психологических свойств, которые проявляются в процессах взаимодействия системы "человек-машина" (изучает инженерная психология и эргономика). Гигиенические показатели используют при определении соответствия системы условиям жизнедеятельности и работоспособности человека при его взаимодействии с технической системой (показатели освещенности, температуры, влажности, магнитного и электрического полей, запыленности, излучения, токсичности, шума, вибрации, перегрузок и т.д.). Физиологические и психофизиологические показатели используют при определении соответствия системы физиологическим свойствам человека и особенностям функционирования его органов чувств.  Такие показатели характеризуют соответствие системы возможностям человека воспринимать и перерабатывать информацию, соответствие системы закрепленным и вновь приобретенным навыкам человека. Показатели безопасности. Определяют способность системы обусловливать при ее эксплуатации безопасность обслуживающего персонала и населения.  К показателям безопасности следует отнести вероятность безопасной работы человека в конкретных условиях в течение определенного времени, время срабатывания блокировочных и защитных устройств, электропрочность линий передач и т.д. Хотя безопасность рассматривается как одно из свойств надежности, оно выходит за рамки надежности, поскольку неполнота безопасности может проявляться и в нормальных условиях работы объекта. Примером может служить работа теплоэлектроцентралей на органическом топливе (угле, сланце, мазуте) с нормальным режимом функционирования котлов, но с выбросами в атмосферу вредных продуктов сгорания в дозах, превышающих допустимые из-за несоответствия качества топлива режимам горения. Этот случай также можно рассматривать как отказ системы, при котором следует изменить режимы сжигания или режимы работы фильтров. Экологические показатели определяют уровень вредных воздействий на окружающую среду при эксплуатации, производстве, потреблении и транспортировании продукции.  К ним следует отнести содержание вредных компонентов, выбрасываемых ТЕМА 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РИСКА ПОНЯТИЕ РИСКА Специалисты различных отраслей промышленности в своих сообщениях и докладах постоянно оперируют не только определением "опасность", но и таким термином, как "риск". В соответствии с современными взглядами риск обычно интерпритируется как вероятностная мера возникновения техногенных или природных явлений, сопровождающихся возникновением, формированием и действием опасностей, и нанесенного при этом социального, экономического, экологического и других видов ущерба и вреда. Под риском следует понимать ожидаемую частоту или вероятность возникновения опасностей определенного класса, или же размер возможного ущерба (потерь, вреда) от нежелательного события, или же некоторую комбинацию этих величин. Применение понятия риск, таким образом, позволяет переводить опасность в разряд измеряемых категорий. Риск, фактически, есть мера опасности. Часто используют понятие "степень риска" (Level of risk), по сути не отличающееся от понятия риск, но лишь подчеркивающее, что речь идет об измеряемой величине. Формирование опасных и чрезвычайных ситуаций - результат определенной совокупности факторов риска, порождаемых соответствующими источниками. Применительно к проблеме безопасности жизнедеятельности таким событием может быть ухудшение здоровья или смерть человека, авария или катастрофа технической системы или устройства, загрязнения или разрушение экологической системы, гибель группы людей или возрастания смертности населения, материальный ущерб от реализовавшихся опасностей или увеличения затрат на безопасность. Каждое нежелательное событие может возникнуть по отношению к определенной жертве - объекту риска. Соотношение объектов риска и нежелательных событий позволяет различать индивидуальный, технический, экологический, социальный и экономический риск. Таблица 2.1.1 Классификация и характеристика видов риска Индивидуальный риск обусловлен вероятностью реализации потенциальных опасностей при возникновении опасных ситуаций. Его можно определить по числу реализовавшихся факторов риска: Rи = Р(t) / L(f) где Rи - индивидуальный риск;  P - число пострадавших (погибших) в единицу времени t от определенного фактора риска f;  L - число людей, подверженных соответствующему фактору риска f в единицу времени t. Источники и факторы индивидуального риска приведены в табл. 2.1.2. Таблица 2.1.2 Источники и факторы индивидуального риска Индивидуальный риск может быть добровольным, если он обусловлен деятельностью человека на добровольной основе, и вынужденным, если человек подвергается риску в составе части общества (например, проживание в экологически неблагоприятных регионах, вблизи источников повышенной опасности). Технический риск - комплексный показатель надежности элементов техносферы. Он выражает вероятность аварии или катастрофы при эксплуатации машин, механизмов, реализации технологических процессов, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений: где Rт - технический риск; DT - число аварий в единицу времени t на идентичных технических системах и объектах; T - число идентичных технических систем и объектов, подверженных общему фактору риска f. Источники и факторы технического риска приведены в табл. 2.1.3. Таблица 2.1.3 Источники и факторы технического риска Экологический риск выражает вероятность экологического бедствия, катастрофы, нарушения дальнейшего нормального функционирования и существования экологических систем и объектов в результате антропогенного вмешательства в природную среду или стихийного бедствия. Нежелательные события экологического риска могут проявляться как непосредственно в зонах вмешательства, так и за их пределами: где RО - экологический риск; DO - число антропогенных экологических катастроф и стихийных бедствий в единицу времени t; O - число потенциальных источников экологических разрушений на рассматриваемой территории. Масштабы экологического риска оцениваются процентным соотношением площади кризисных или катастрофических территорий DS к общей площади рассматриваемого биогеоценоза S: . Дополнительным косвенным критерием экологического риска может служить интегральный показатель экологичности территории предприятия, соотносимой с динамикой плотности населения (численности работающих): , где ОT - уровень экологичности территории; DL - динамика плотности населения (работающих); S - площадь исследуемой территорий; DM - динамика прироста численности населения (работающих) в течение периода наблюдения t: DM = G+F - U- V, где G,F,U,V - соответственно численность родившихся за наблюдаемый период, прибывших в данную местность на постоянное местожительство, умерших и погибших, выехавших в другую местность на постоянное местожительство (уволившихся). В этой формуле разность GU характеризует естественный, а FV - миграционный прирост населения на территории (текучесть кадров). Положительные значения уровней экологичности позволяют разделять территории по степени экологического благополучия и, наоборот, отрицательные значения уровней - по степени экологического бедствия. Кроме того, динамика уровня экологичности территории позволяет судить об изменении экологической ситуации на ней за длительные промежутки времени, определить зоны экологического бедствия (демографического кризиса) или благополучия. Источники и факторы экологического риска приведены в табл. 2.1.4. Таблица 2.1.4 Источники и факторы экологического риска Социальный риск характеризует масштабы и тяжесть негативных последствий чрезвычайных ситуаций, а также различного рода явлений и преобразований, снижающих качество жизни людей. По существу - это риск для группы или сообщества людей. Оценить его можно, например, по динамике смертности, рассчитанной на 1000 человек соответствующей группы: , где RС - социальный риск; C1 - число умерших в единицу времени t (смертность) в исследуемой группе в начале периода наблюдения, например до развития чрезвычайных событий; C2 - смертность в той же группе людей в конце периода наблюдения, например на стадии затухания чрезвычайной ситуации; L - общая численность исследуемой группы. Источники и наиболее распространенные факторы социального риска приведены в табл. 2.1.5. Таблица 2.1.5 Источники и факторы социального риска Экономический риск определяется соотношением пользы и вреда, получаемых обществом от рассматриваемого вида деятельности: , где RЭ - экономический риск, %; В - вред обществу от рассматриваемого вида деятельности; П - польза. В общем виде В= Зб+У , где Зб - затраты на достижение данного уровня безопасности; У - ущерб, обусловленный недостаточной защищенностью чело­века и среды его обитания от опасностей. Чистая польза, т.е. сумма всех выгод (в стоимостном выражении), получаемых обществом от рассматриваемого вида деятельности: П=Д - Зб - В>0 или П=Д - Зп - Зб - У>0, где Д - общий доход, получаемый от рассматриваемого вида деятельности; Зп - основные производственные затраты. Формула экономически обоснованной безопасности жизнедеятельности имеет вид У < Д - ( Зп + Зб ). В условиях хозяйственной деятельности необходим поиск оптимального отношения затрат на безопасность и возможного ущерба от недостаточной защищенности. Найти его можно, если задаться некоторым значением реально достижимого уровня безопасности производства Кбп. Эту задачу можно решить методом оптимизации. Использование рассматриваемых видов риска позволяет выполнять поиск оптимальных решений по обеспечению безопасности как на уровне предприятия, так и на макроуровнях в масштабах инфраструктур. Для этого необходимо выбирать значения приемлемого риска. Приемлемый риск сочетает в себе технические, экологические, социальные аспекты и представляет некоторый компромисс между приемлемым уровнем безопасности и экономическими возможностями его достижения, т.е. можно говорить о снижении индивидуального, технического или экологического риска, но нельзя забывать о том, сколько за это придется заплатить и каким в результате окажется социальный риск. РАЗВИТИЕ РИСКА НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТАХ На процесс зарождения и развития риска оказывает свое влияние многообразие факторов и условий, характерных для Рис. 2.2.1. Функциональная модель развития риска промышленной системы (рис. 2.2.1). Знакомство с приведенной схемой позволяет выделить целый ряд первопричин риска: отказы в работе узлов и оборудования вследствие их конструктивных недостатков, плохого технического изготовления или нарушения правил технического обслуживания; отклонения от нормальных условий эксплуатации; ошибки персонала; внешние воздействия и пр. Вследствие возможности возникновения указанных причин опасные промышленные объекты постоянно находятся в неустойчивом состоянии, которое по отношению к безопасности производства становится особенно критичным при возникновении аварийных ситуаций на объектах. Рис. 2.2.1 Риск возникает при следующих необходимых и достаточных условиях: - существование фактора риска (источника опасности); - присутствие данного фактора риска в определенной, опасной (или вредной) для объектов воздействия дозе; - подверженность (чувствительность) объектов воздействия к факторам опасностей Между авариями в самых разных отраслях можно заметить явное сходство. Обычно аварии предшествует накопление дефектов в оборудовании или отклонения от нормального хода процессов. Эта фаза может длиться минуты, сутки или даже годы. Сами по себе дефекты или отклонения еще не приводят к аварии, но готовят почву для нее. Операторы, как правило, не замечают этой фазы из-за невнимания к регламенту или недостатка информации о работе объекта, так что у них не возникает чувства опасности. На следующей фазе происходит неожиданное или редкое событие, которое существенно меняет ситуацию. Операторы пытаются восстановить нормальный ход технологического процесса, но, не обладая полной информацией, зачастую только усугубляют развитие аварии. Наконец, на последней фазе еще одно неожиданное событие - иногда совсем незначительное - играет роль толчка, после которого техническая система перестает подчиняться людям, и происходит катастрофа. Риск является неизбежным, сопутствующим фактором промышленной деятельности. Риск объективен, для него характерны неожиданность, внезапность наступления, что предполагает прогноз риска, его анализ, оценку и управление - ряд действий по недопущению факторов риска или ослаблению воздействия опасности. ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ РИСКОМ Анализ риска: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем При разработке проблем риска и технологической безопасности самое пристальное внимание уделяется системному подходу к учету и изучению разнообразных факторов, влияющих на показатели риска, именуемому анализом риска. Анализ риска или риск-анализ (risk analysis) - процесс идентификации опасностей и оценки риска для отдельных лиц, групп населения, объектов, окружающей природной среды и других объектов рассмотрения. Напомним что, под опасностью понимается источник потенциального ущерба или вреда или ситуация с возможностью нанесения ущерба, а под идентификацией опасности - процесс выявления и признания, что опасность существует, и определение ее характеристик. Существует много подобных формулировок этого понятия, но в общем виде под анализом риска подразумевается процесс выявления опасности и оценки возможных негативных последствий в результате возникновения нарушений в работе конкретных технологических систем и представления этих последствий в количественных показателях. В США вместо термина "анализ риска" используют "анализ опасностей" (process hazard analysis), имеющий практически то же значение. Анализ риска - во многом субъективный процесс, в ходе которого учитываются не только количественные показатели, но и показатели, не поддающиеся формализации, такие, как позиции и мнения различных общественных группировок, возможность компромиссных решений, экспертные оценки и т.д. Многообразие видов производственной деятельности, специфика промышленных объектов, их принадлежность к самым различным отраслям отражает многоаспектность проблемы анализа риска. Особенность анализа технологического риска заключается в том, что в ходе его рассматриваются потенциально негативные последствия, которые могут возникнуть в результате отказа в работе технических систем, сбоев в технологических процессах или ошибок со стороны обслуживающего персонала. Разумеется, что можно рассматривать и негативные воздействия на людей, и окружающую природную среду при безаварийном функционировании производства (за счет выбросов или утечки вредных или опасных веществ, неочищенных стоков и т.д.). Результаты анализа риска имеют существенное значение для принятия обоснованных и рациональных решений при определении места размещения и проектировании производственных объектов, при транспортировании и хранении опасных веществ и материалов. В процессе анализа риска находят широкое применение формализованные процедуры и учет разнообразных ситуаций, с которыми может столкнуться управляющий персонал в процессе своей деятельности, особенно при возникновении чрезвычайной обстановки. Неопределенность, в условиях которой во многих случаях должны приниматься управленческие решения, накладывает отпечаток на методику, ход и конечные результаты анализа риска. Методы, используемые в процессе анализа, должны быть ориентированы, прежде всего, на выявление и оценку возможных потерь в случае аварии, стоимости обеспечения безопасности и преимуществ, получаемых при реализации того или иного проекта. Анализ риска имеет ряд общих положений независимо от конкретной методики анализа и специфики решаемых задач. Во-первых, общей является задача определения допустимого уровня риска, стандартов безопасности обслуживающего персонала, населения и защиты окружающей природной среды. Во-вторых, определение допустимого уровня риска происходит, как правило, в условиях недостаточной или непроверенной информации, особенно когда это касается новых технологических процессов или новой техники. В-третьих, в ходе анализа в значительной мере приходится решать вероятностные задачи, что может привести к существенным расхождениям в получаемых результатах. В-четвертых, анализ риска нужно рассматривать, как процесс решения многокритериальных задач, которые могут возникнуть как компромисс между сторонами, заинтересованными в определенных результатах анализа. Анализ риска может быть определен как процесс решения сложной задачи, требующий рассмотрения широкого круга вопросов и поведения комплексного исследования и оценки технических, экономических, управленческих, социальных, а в ряде случаев и политических факторов. Анализ риска должен дать ответы на три основных вопроса: 1. Что плохого может произойти? (Идентификация опасностей). 2. Как часто это может случаться? (Анализ частоты). 3. Какие могут быть последствия? (Анализ последствий). Основной элемент анализа риска - идентификация опасности (обнаружение возможных нарушений), которые могут привести к негативным последствиям. Выраженный в наиболее общем виде процесс анализа риска может быть представлен как ряд последовательных событий: 1. Планирование и организация работ. 2. Идентификация опасностей. 2.1. Выявление опасностей. 2.2. Предварительная оценка характеристик опасностей. 3. Оценка риска. 3.1. Анализ частоты. 3.2. Анализ последствий. 3.3. Анализ неопределенностей. 4. Разработка рекомендаций по управлению риском. Первое, с чего начинается любой анализ риска, - это планирование и организация работ. Анализ риска проводится в соответствии с требованиями нормативно-правовых актов для того, чтобы обеспечить вход в процесс управления риском, однако более точный выбор задач, средств и методов анализа риска обычно не регламентируется. В документах подчеркивается, что анализ опасности должен соответствовать сложности рассматриваемых процессов, наличию необходимых данных и квалификации специалистов, проводящих анализ. При этом более простые и понятные методы анализа следует предпочитать более сложным методам, не до конца ясным и методически обеспеченным. Поэтому на первом этапе необходимо: - указать причины и проблемы, вызвавшие необходимость проведения риск-анализа; - определить анализируемую систему и дать ее описание; - подобрать соответствующую команду для проведения анализа; - установить источники информации о безопасности системы; - указать исходные данные и ограничения, обусловливающие пределы риск-анализа; - четко определить цели риск-анализа и критерии приемлемого риска. Во всех нормативах содержится требование документального оформления этого этапа анализа риска. Следующий этап анализа риска - идентификация опасностей. Основная задача - выявление (на основе информации о данном объекте, результатов экспертизы и опыта работы подобных систем) и четкое описание всех присущих системе опасностей. Это ответственный этап анализа, так как невыявленные на этом этапе опасности не подвергаются дальнейшему рассмотрению и исчезают из поля зрения. Существует целый ряд формальных методов выявления опасностей, о которых речь пойдет ниже. Здесь приводится предварительная оценка опасностей с целью выбора дальнейшего направления деятельности: - прекратить дальнейший анализ ввиду незначительности опасностей; - провести более детальный анализ риска; - выработать рекомендации по уменьшению опасностей. Исходные данные и результаты предварительной оценки опасностей также должным образом документируются. В принципе процесс риск-анализа может заканчиваться уже на этапе идентификации опасностей. При необходимости, после идентификации опасностей переходят к этапу оценки риска. Наконец, последний этап анализа риска технологической системы - разработка рекомендаций по уменьшению уровня риска (управлению риском) в случае, если степень риска выше приемлемой. По проведенной таким образом работе все нормативные документы предписывают составление отчета, требования к содержанию которого строго сформулированы и касаются перечисленных выше вопросов. Множественность результатов анализа и возможность компромиссных решений дают основание считать, что анализ риска не является строго научным процессом, поддающимся проверке объективными, научными методами. Оценка риска: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем С анализом риска тесно связан другой процесс - оценка риска. Оценка риска - процесс, используемый для определения величины (меры) риска анализируемой опасности для здоровья человека, материальных ценностей, окружающей природной среды и других ситуаций, связанных с реализацией опасности. Оценка риска - обязательная часть анализа. Оценка риска включает анализ частоты, анализ последствий и их сочетаний. В англоязычной литературе употребляют термины “risk estimation”, ”risk assessment”, “risk evaluation”, зачастую имеющие разные значения, но переводимые как оценка риска. Оценка риска - этап, на котором идентифицированные опасности должны быть оценены на основе критериев приемлемого риска с целью выделить опасности с неприемлемым уровнем риска, и этот шаг послужит основой для разработки рекомендаций и мер по уменьшению опасностей. При этом и критерии приемлемого риска и результаты оценки риска могут быть выражены как качественно, так и количественно. Согласно определению, оценка риска включает в себя анализ частоты и анализ последствий. Однако, когда последствия незначительны и частота крайне мала, достаточно оценить один параметр. Существуют четыре разных подхода к оценке риска. Первый - инженерный. Он опирается на статистику поломок и аварий, на вероятностный анализ безопасности (ВАБ): построение и расчет так называемых деревьев событий и деревьев отказов - процесс основан на ориентированных графах. С помощью первых предсказывают, во что может развиться тот или иной отказ техники, а деревья отказов, наоборот, помогают проследить все причины, которые способны вызвать какое-то нежелательное явление. Когда деревья построены, рассчитывается вероятность реализации каждого из сценариев (каждой ветви), а затем - общая вероятность аварии на объекте. Второй подход, модельный, - построение моделей воздействия вредных факторов на человека и окружающую среду. Эти модели могут описывать как последствия обычной работы предприятий, так и ущерб от аварий на них. Первые два подхода основаны на расчетах, однако, для таких расчетов далеко не всегда хватает надежных исходных данных. В этом случае приемлем третий подход - экспертный: вероятности различных событий, связи между ними и последствия аварий определяют не вычислениями, а опросом опытных экспертов. Наконец, в рамках четвертого подхода - социологического - исследуется отношение населения к разным видам риска, например с помощью социологических опросов. То, что для определения риска используются четыре столь несхожих между собой метода, не должно удивлять. 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. Описывая риск, нужно учитывать и выгоду, которую получает общество, когда на него идет (бесполезный риск недопустим, даже если он ничтожно мал). Иными словами, величина риска - это не какое-то одно число, а скорее вектор, состоящий из нескольких компонент. И поэтому мы имеем дело с так называемым многокритериальным выбором, процедура которого описывается теорией принятия решений. Имеется много неопределенностей, связанных с оценкой риска. Анализ неопределенностей - необходимая составная часть оценки риска. Как правило, основные источники неопределенностей - информация по надежности оборудования и человеческим ошибкам, а также допущения применяемых моделей аварийного процесса. Чтобы правильно интерпретировать величины риска, надо понимать неопределенности и их причины. Анализ неопределенности - это перевод неопределенности исходных параметров и предложений, использованных при оценке риска, в неопределенность результатов. Источники неопределенности должны по возможности идентифицироваться. Основные параметры, к которым анализ является чувствительным, должны быть представлены в результатах. Важно подчеркнуть, что сложные и дорогостоящие расчеты зачастую дают значение риска, точность которого очень невелика. Для сложных технических систем точность расчетов индивидуального риска, даже в случае наличия всей необходимой информации, не выше одного порядка. При этом проведение полной количественной оценки риска более полезно для сравнения различных вариантов (например, размещения оборудования), чем для заключения о степени безопасности объекта. Зарубежный опыт показывает, что наибольший объем рекомендаций по обеспечению безопасности вырабатывается с применением качественных (из числа инженерных) методов анализа риска, позволяющих достигать основных целей риск-анализа при использовании меньшего объема информации и затрат труда. Однако количественные методы оценки риска всегда очень полезны, а в некоторых ситуациях - и единственно допустимы, в частности, для сравнения опасностей различной природы или при экспертизе особо опасных, сложных и дорогостоящих технических систем. Управление риском: понятие и место в обеспечении безопасности технических систем В исследованиях по проблеме риска возникло отдельное направление работ под общим названием “Управление риском”. Управление риском (risk management) - это часть системного подхода к принятию решений, процедур и практических мер в решении задач предупреждения или уменьшения опасности промышленных аварий для жизни человека, заболеваний или травм, ущерба материальным ценностям и окружающей природной среде. Для процесса управления риском существует несколько названий как в нашей стране (обеспечение промышленной безопасности), так и за рубежом (“safety management”, “management of process hazards”), которые фактически являются синонимами. Под этими терминами понимается совокупность мероприятий, направленных на снижение уровня технологического риска, уменьшение потенциальных материальных потерь и других негативных последствий аварий. По сути дела, речь идет о предотвращении возникновения аварийных ситуаций на производстве и мерах по локализации негативных последствий в тех случаях, когда аварии произошли. Особенностью этого направления является комплексность, включающая в себя различные аспекты - технические, организационно-управленческие, социально-экономические, медицинские, биологические и др. Общность и различие процедур оценки и управления риском Общим в оценке риска и управлением риском является то, что они - два аспекта, две стадии единого процесса принятия решения (в широком смысле слова), основанного на характеристике риска. Такая общность обусловлена их главной целевой функцией - определением приоритетов действий, направленных на уменьшение риска до минимума, для чего необходимо знать как его источники и факторы - (анализ риска), так и наиболее эффективные пути его сокращения (управлением риском). Взаимосвязь между оценкой риска и управлением им представлена на рис. 2.3.1 Рис. 2.3.1. Взаимосвязь между оценкой и управлением риском: А - область оценки риска; Б - область управления риском; В - область характеристики риска; ¾¾® - прямые связи между элементами оценки и управления риском; ¾ ¾ ® - обратные связи принятия решения с другими элементами оценки и управления риском Основное различие между двумя понятиями заключается в том, что оценка риска строится на фундаментальном, прежде всего естественнонаучном и инженерном, изучении источника (например, химического объекта) и факторов риска (например, загрязняющих веществ с учетом особенностей конкретной технологии и экологической обстановки) и механизма взаимодействия между ними. Управлением риском опирается на экономический и социальный анализ, а также на законодательную базу, которые не нужны и не используются при оценке риска. Управление риском имеет дело с анализом альтернатив по минимизации риска, т.е. является, по сути дела, частным случаем класса многокритериальных задач принятия решения в условиях неопределенности. Оценка риска служит основой для исследования и выработки мер управления риском в соответствии с алгоритмом действий (рис. 2.3.1). Заключительная фаза процедуры оценки риска - характеристики риска - одновременно является первым звеном процедуры управления риском. Количественные показатели риска Для управлением риском его необходимо проанализировать и оценить. Ввиду данного в 2.3.1 определения риска, его количественный показатель представляет собой численные значения вероятности наступления нежелательного события или (и) результатов нежелательных последствий (ущерба). Количественно риск может быть определен как частота (размеренность - обратное время) реализации опасности. Изучение статистических данных позволяет выявить частоту возникновения опасных событий. Однако серьезность событий (даже внутри одного класса аварий) может значительно изменяться от события к событию; тогда возникает необходимость введения категорий событий (например, события с тяжелыми, средними или легкими последствиями) и рассмотрения частоты каждой из таких категорий. Последнее достигается приписыванию каждому классу или подклассу показателя риска (числа событий за определенный период времени, деленный на длительность этого периода), имеющего размеренность обратного времени. Этот показатель иногда рассматривается как мера “вероятности” возникновения события. Следует рассмотреть замечание, сделанное по этому поводу редакторами перевода [38], смысл которого состоит в том, что наиболее естественно интерпретировать вводимый показатель в рамках некоторой математической модели, в данном случае - вероятностной, поскольку рассматриваются случайные явления. Например, можно характеризовать явление случайной величиной - обозначим ее z - числом случаев возникновения события (реализации явления) за определенный период времени Т, например за год. Хорошо известно, что математическое ожидание Мz случайной величины z - это среднее (ожидаемое) число случаев возникновения события за год или частота возникновения события. Тогда в соответствии с принятой в математической статистике терминологией число событий (которое берется из статистических данных) - это выборка, отношение числа событий к длительности периода наблюдения - статистика, являющаяся, очевидно, несмещенной и состоятельной оценкой математического ожидания Мz, или частоты возникновения событий. Если считать распределение случайной величины z, например пуассоновским, т.е. если положить , где r - константа, то возможно оценить условия, когда вводимый показатель можно считать вероятностью. В самом деле, для пуассоновского распределения Мz = r T. С другой стороны, для пуассоновского распределения вероятность того, что за время Т случится не менее одного события, равна . Поэтому только для очень малых частот возникновения события можно интерпретировать вводимый показатель как вероятность возникновения за время Т хотя бы одного события. Необходимо, однако, отметить, что вводимый таким способом показатель не является вероятностью в точном, математическом смысле этого слова. Вероятностью (события в конечной схеме при классическом определении) называется отношение мощности множества элементарных исходов, составляющих это событие, к мощности всего множества элементарных исходов. Вероятность события - это действительное число, лежащее в интервале 0-1. Так, например, при бросании обычной кости вероятность события “выпадение 7” равна нулю, вероятность события “выпадения 1 или 2” равна одной шестой, вероятность события “выпадение какого-нибудь числа между 1 и 6” равна единице. Таким образом, в рассмотренном случае те связи между событиями А и В, когда только при возникновении А случается В, можно интерпретировать как вероятность. Количественно риск может быть определен, как вероятность Р возникновения события В при наступлении события А (безразмерная величина, лежащая в пределах 0-1). Поскольку реализация опасности явление случайное, риск опасности (как бы ни определять его - как частоту или вероятность) есть числовая характеристика соответствующей случайной величины, используемой для описания данной опасности. В качестве простейшего примера возможного формального подхода рассмотрим случайную величину s - длительность периода безаварийной работы промышленного предприятия, областью определения которой служит множество режимов эксплуатации за произвольное (возможно, бесконечное) время. Оказывается возможным явно вычислить функцию распределения этой величины Fs(t) = P(s£t), предположив ее независимость от предыстории функционирования промышленного предприятия (такое предположение является наиболее оптимистичным в отношении уровня безопасности). Хорошо известно, что существует единственное решение, удовлетворяющее сформулированному условию: Fs(t)= для t>0; Fs(t)=0 для t<0, где p>0 - постоянная; это так называемое показательное распределение. Математическое ожидание Мs случайной величины s есть Мs = 1/p, что позволяет интерпретировать параметр p как среднюю (ожидаемую) частоту аварий или риск аварий в смысле обсуждаемого определения. Вероятность аварий рт за период времени, не превосходящий Т, определяется, очевидно, как рт=Р(s£T) = . Отметим, что всегда рт10-6 считается недопустимой, а <10-8 - пренебрежимой. "Приемлемый" уровень риска выбирается в диапазоне 10-6-10-8 в год, исходя из экономических и социальных причин. Для сравнения: риск смерти человека, равный 10-6, соответствует риску, которому он подвергается в течение своей поездки на автомобиле на расстояние в 100 км или полете на самолете на расстояние 650 км, или, если он выкуривает 3/4 сигареты, или в течение 15 мин занимается альпинизмом и т.д. В Нидерландах при планировании промышленной деятельности, наряду с географическими, экономическими и политическими картами, используются и карты риска для территории страны. В этих условиях, чтобы построить промышленное предприятие и ввести его в эксплуатацию, проектировщикам требуется количественно определить уровень риска его эксплуатации и доказать правительственным органам приемлемость этого риска. При лицензировании нового крупного промышленного предприятия также требуется предоставить топографическую карту риска, которому будет подвергаться человек, оказавшийся в зоне расположения этого предприятия. На этой карте должны быть указаны замкнутые кривые равного риска, каждая из которых соответствует следующим численным значениям вероятности смерти индивидуума в течение года: 10-4, 10-5, 10-6, 10-7 (рис. 2.4). Требования такого же рода предъявлены и к уже действующим предприятиям. Проблема уменьшения риска решается в Нидерландах настолько активно и последовательно, насколько это возможно при нынешнем уровне знаний. Основные принципы такой деятельности закреплены в правительственной программе управления риском, которая является составной частью общей программы по защите окружающей среды. Эксперты стараются определить риск всесторонне. Учитывают индивидуальный риск, социальный риск и даже риск для экосистем. Первый задается вероятностью гибели отдельного человека, второй - соотношением между количеством людей, которые могут погибнуть при одной аварии, и вероятностью такой аварии, а третий - процентом биологических видов экосистемы, на которых скажется вредное воздействие. Рассматриваются не только события, приводящие к мгновенной смерти, но и факторы, дающие отдаленные последствия - например, использование пестицидов в сельском хозяйстве или загрязнение окружающей среды. Разработаны сложные комплексы компьютерных программ, способные вычислить вероятность аварии на предприятии, определить величину и характер опасных выбросов, учесть метеорологические условия, рельеф местности, расположение дорог и населенных пунктов и в конечном счете построить карту распределения риска. Рис. 2.3.3. Построение зон индивидуального риска для опасного предприятия (а) и транспортной магистрали (б), по которой осуществляется перевозка опасных грузов: 1 – изолинии равного риска; 2, 3, 4, 5 – зона соответственно чрезвычайно высокого, высокого, приемлемого и низкого риска Существует уровень риска, который можно считать пренебрежимо малым. Если риск от какого-то объекта не превышает такого уровня, нет смысла принимать дальнейшие меры по повышению безопасности, поскольку это потребует значительных затрат, а люди и окружающая среда из-за действия иных факторов все равно будут подвергаться почти прежнему риску. С другой стороны, есть уровень максимального приемлемого риска, который нельзя превосходить, каковы бы ни были расходы. Между двумя этими уровнями лежит область, в которой и нужно уменьшать риск, отыскивая компромисс между социальной выгодой и финансовыми убытками, связанными с повышением безопасности. Решение о том, какой уровень риска считать приемлемым, а какой нет, носит не технический, а политический характер и во многом определяется экономическими возможностями страны. Правительство и парламент Нидерландов законодательно установили такие уровни. Максимальным приемлемым уровнем индивидуального риска (уже об этом мы говорили) считается величина 10-6 в год. Иными словами, вероятность гибели человека в течение года не должна превышать одного шанса из миллиона. Пренебрежимо малым считается индивидуальный риск 10-8 в год. Для факторов, которые приводят к отдаленным опасным последствиям и не имеют порога действия, приняты эти же нормы. Если такие факторы сказываются лишь на превышения порога (например, предельно допустимой концентрации вредного вещества), то максимальный приемлемый уровень риска соответствует порогу. Максимальным приемлемым уровнем риска для экосистем считается тот, при котором может пострадать 5% видов биогеоценоза. Два конкретных примера того, как работают такие нормы на практике. Голландская компания "GeneraL ELectric PLastics" обратилась за разрешением на расширение производства на одном из своих заводов. На этот завод по железной дороге привозилось примерно 600 т хлора в неделю, а в качестве промежуточного реактива использовался фосген. Жители расположенного в 600 м поселка возражали против такого разрешения, поскольку боялись увеличения риска катастрофы. Эксперты провели расчет, и оказалось, что вклад фосгена в общий риск, создаваемый заводом, совсем не велик. Зато расширение завода неминуемо приводило к увеличению объемов хранения и перегрузки хлора, в результате чего значительная часть поселка могла оказаться в зоне, где риск превышал 10-7. Из этой ситуации был найден довольно неожиданный выход: чтобы сделать завод более безопасным, требовалось не просто расширить его, но и начать собственное производство хлора. Тогда исчезла бы угроза, связанная с перевозкой и хранением этого ядовитого газа, и общая безопасность предприятия даже возросла бы. Такой выход устроил и местные власти, и руководителей компании. Другой случай произошел на юго-востоке Голландии, где расположено крупное химическое предприятие, выпускающее среди прочего до полумиллиона тонн аммиака и акрилонитрита в год и отстоящее от ближайших поселков всего на 200 м. Когда местные власти предложили план застройки местности между поселком и предприятием, по существующим правилам был проведен анализ уровня риска в этой зоне. На территории завода находилось около 35 различных объектов, 10 из которых вносили главный вклад в общую угрозу. Каждый из них был тщательно изучен. Неожиданно обнаружилось, что многие считавшиеся раньше весьма опасными установки на самом деле не играют той роли, которую им приписывали. Зато недооценивалась опасность, связанная с хранилищами аммиака. Выяснилось, что часть новой застройки попадает в зону с высоким уровнем риска. Эксперты дали две рекомендации: руководству завода принять меры по снижению риска, местным властям ограничить строительство на территориях, примыкающих к заводу. Жители поселков с энтузиазмом приняли первую часть рекомендаций и с негодованием - вторую. После обсуждения в парламенте было решено в этот раз позволить строительство в зоне, где риск не превышает 10-6, но в будущем ориентироваться на линию, на которой риск составляет 10-8, то есть пренебрежимо мал. Специалисты из разных стран спорят о том, насколько правильны и объективны используемые в Нидерландах методы расчета, насколько точны их карты, насколько оправдан поиск компромисса между выгодой и безопасностью. Рядовым жителям - неспециалистам, судить об этом трудно. Зато они чувствуют, что государство не на словах, а на деле заботиться об их жизни, так что они могут доверять самому подходу к проблеме - честному и действенному. Конечно, Нидерланды надо рассматривать как пример страны, где наиболее широко используются вероятностные методы в практической деятельности по обеспечению безопасности населения от риска при эксплуатации промышленных объектов. В других странах масштабы использования концепции "приемлемого" риска в законодательстве более ограничены, но во всех этих странах существует тенденция к ее все более полному применению (см. табл. 2.3.1). Например, в ФРГ концепция "приемлемого" риска является основой, на которой развиваются научные основы в области безопасности. Полученные при этом результаты используются для повышения безопасности и минимизации риска, а не для достижения общественного признания определенной технологии. Таблица 2.3.1 Критерии приемлемости риска в пяти странах Страна Определение приемлемости надзорными органами Требуемое обоснование Использование количественных оценок риска 1 2 3 4 Великобри­тания Риск должен быть так низок, как практически возможно Доклад о деятельности, определенной нормативами CIMAH Предлагаемый риск серьезных аварий 10-4 1/год на границе приемлемости Германия Должен удовлетворять техническим правилам и не причинять ущерб окружающей среде или значительный ущерб населению Анализ безопасности последнего состояния технологии Только как часть анализа безопасности. Никакие количественные показатели на могут быть удовлетворительно определены Франция Реальное арбитражное просвещение Оценка технического риска и экономический анализ Риск неприемлемых последствий, который не должен превышать 10‑6 1/год, рассматривается скорее как цель, чем требование Дания Требования выражены в общих терминах. Загрязнение окружающей среды не выше пороговых значений Должен быть приемлем для Комитета соответствующей организации Риск, не превышающий 10‑6 1/год приемлем Нидерланды Опасность должна быть квантифицирована настолько точно, насколько возможно Доклад по безопасности должен быть одобрен надзорными органами и Рабочим советом. Пригодность операционного персонала должна быть оценена Анализ в терминах теории вероятности. Обеспечиваемый максимальный приемлемый индивидуальный риск смерти 10‑6 1/год Сравнение рисков Ключевым значением в установлении допустимого риска является идея, предложенная Фармером в 1967 году [68]. Смысл заключался в установлении случайной зависимости между средним количеством радиоактивной утечки в атмосферу из ядерного реактора и вероятностью (средняя частота в год) наступления такого события. Примером использования таких диаграмм может служить график (рис. 2.3.4), на котором подобные зависимости применяются для сравнения опасностей АЭС и других явлений - как техносферы, так и сил природы. За такими графиками закрепилось название "F/N - диаграмма". Тот же смысл имеет график с горизонтальной осью N - "число несчастных случаев" и вертикальной осью F - "частота событий" (рис. 2.3.4). Подобные графики в случае, если количество данных и диапазон их изменений очень велик, обычно строятся в логарифмическом масштабе. Они могут быть аппроксимированы кривой-графиком непрерывной функции. Таким способом определяется предельная кривая частоты аварийных событий (нежелательных последствий), которая может использоваться, прежде всего, для сравнения опасностей и в качестве исходных данных проектировщиками и специалистами по безопасности. Считается, что кривая отделяет верхнюю область недопустимо большого риска от области приемлемого риска, расположенной ниже и левее кривой. Кривую, таким образом, можно использовать в качестве критерия безопасности, определяющего верхнюю границу допустимой вероятности. Если это условие выполняется, основная цель достигнута. Для рассматриваемых характеристик необходима реальная статистика. Из рис. 2.3.4 и 2.3.5 видно, что частота и величина риска, связанного с природными катаклизмами, обычно существенно превосходят угрозы, сопутствующие эксплуатации техники. На рис. 2.3.4 сопоставлены экономические последствия ущерба, наносимого природными катаклизмами и техническими катастрофами.  Рис. 2.3.4. Частота и количество связанных с техникой несчастных случаев: 1 - суммарная кривая; 2 - общее число аварий самолетов; 3 - пожары; 4 - взрывы; 5 - прорывы плотины; 6 - выбросы вредных химических веществ; 7 - аварии самолетов (без пассажиров); 8 - 100 атомных реакторов Поскольку границы оправданного риска трудно рационально обосновать, при решении расчетных или эксплуатационных технических задач следует использовать сравнение с риском в аналогичных ситуациях. При этом в анализе следует принимать во внимание наиболее неблагоприятный случай (правда, чтобы не впадать в крайности, рисуя себе нереальные ужасные картины, необходимо постоянно опираться на здравый смысл). Установленный таким образом крайне неблагоприятный случай угрозы нужно сравнить по частоте и величине с уже ранее имевшими место аналогичными рисками. При этом необходимо учитывать, что на частоту влияют как пространственная, так и временная протяженность рассматриваемых явлений. Кроме того, нужно учитывать продолжительность каждого события и степень стабильности исходных параметров. Рис. 2.3.5 Частота и количество природных катастрофических событий: 1 - суммарная кривая; 2 - торнадо; 3 - ураганы; 4 - землетрясения; 5 - падение метеоритов Таблица 2.3.2 Вероятность летального исхода Условия и вид деятельности 10-7 чел/год Аварии автомашин Огонь и взрывы Водоемы Обращение с механизмами Воздушное сообщение Электричество Молния Общественный транспорт Радиоактивное излучение 2700 400 280 100 75 51 5,5 0,45 0,05 Таблица 2.3.3 Вероятность летального исхода Отрасль народного хозяйства 10-7 чел/ч Горные работы Транспорт Строительство Добыча нерудных полезных ископаемых Эксплуатация газопроводного оборудования и гидротехнических сооружений Металлургическая промышленность Деревоотделочные работы Пищевая промышленность Целлюлозно-бумажная промышленность и печать Электротехника, точная механика и оптика Химия Торговля, финансы, страхование, коммунальные услуги Текстильная и кожевенно-обувная промышленность Здравоохранение 3 3 2 1 0,6   0,6 0,6 0,6 0,5 0,4 0,4 0,4 0,3 0,2 Средняя величина для 20,2 млн. застрахованных 0,7 Таблица 2.3.4 Вероятность летального исхода Вид деятельности 10-7 чел/ч Профессиональная деятельность Участие в движении транспорта Занятие домашним хозяйством и свободное время Тяжелые заболевания 3-0,2 10-0,5 0,5 3-0,01   Рис. 2.3.6 Объем ущерба, наносимого в результате технических и природных катастрофических событий: ¾¾ природные катаклизмы; - - - - аварии Из таблиц 2.3.2-2.3.4, а также рис. 2.3.6 видно, что риск летального исхода существует на уровне 10-7 и выше на человека в год. Таким образом, при проектировании и эксплуатации технических устройств риск на уровне 10-7 чел/год может быть принят допустимым при следующих условиях: - проблема риска проанализирована глубоко и всесторонне; - анализ проведен до принятия решений и подтвержден имеющимися данными в определенном временном интервале; - после наступления неблагоприятного события анализ и заключение о риске, полученные на основании имевшихся данных, не меняются; - анализ показывает, и результаты контроля все время подтверждают, что угроза не может быть уменьшена ценой оправданных затрат. Принятую оценку допустимого риска и указанные условия нужно выполнять строго и рассматривать как первый шаг к количественному сравнению. При необходимости в дальнейшем, когда будет накоплено больше опыта, эта оценка может быть изменена. Установленную оценку допустимого риска не следует, однако, воспринимать как оправданный предел; она должна служить лишь основой относительной шкалы принимаемых рисков. Сформулированные положения подтверждают также, что нецелесообразно задавать детерминированную границу риска. Напротив, более приемлемыми параметрами представляются вероятность pv, отделяющая оправданный риск от условно оправданного, и вероятность pu, отделяющая условно оправданный риск, т.е. соответствующий определенным условиям, от неоправданного. К условиям, при которых летальный риск pL в диапазоне pv0 и c2-( -my)<0. Контрольные границы для карт процессов определяют в следующей последовательности: 1. Выдвигают нулевую c0 и одну c1 или две c1, c2 альтернативные гипотезы; 2. Выбирают критическую статистику s; 3. Устанавливают уровень значимости a 100%; 4. По таблице квантилей или процентных точек находят граничное значение sгр (или , ), соответствующее выбранному уровню значимости и числу замеров N; 5. По формуле связи критической статистики s с оцениваемым параметром рассчитывают контрольные границы. Рекомендации по использованию контрольных карт в разных условиях приведены в табл. 6.12.1 Таблица 6.12.1 Условия применения контрольных карт Причина изменения процесса Среднее Размах R Стандартное отклонение sy Накопленная сумма Грубое отклонение 1 2 - 3 Сдвиг среднего 2 - 3 1 Сдвиг дисперсии - 1 - - Тренд * 2 - - 1 Колебание - 1 2 - Условные обозначения: "-" - неприменима; 1,2,3 - место в ранжированном ряду применения (1 - наиболее предпочтительная карта и т.д.); * систематическое увеличение (уменьшение) средних значений. РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ Одно из направлений развития методов контроля надежности элементов системы (или систем), основанных на изучении косвенных параметров, - использование теории распознавания образов. В ней разрабатываются приемы и методы, позволяющие по некоторым, часто весьма незначительным, признакам относить объект изучения к тому или иному классу и охарактеризовать его состояние. Кластерный анализ - математическая процедура многомерного анализа, позволяющая на основе множества показателей, характеризующих ряд состояний объектов (образов), сгруппировать их в классы (кластеры) таким образом, чтобы объекты, входящие в один класс (образ), были более однородными, сходными по сравнению с объектами, входящими в другие классы. На основе численно выраженных параметров объектов вычисляются расстояния между ними, которые могут выражаться в евклидовой метрике (наиболее употребимой), так и в других метриках. Кластерный анализ применяют для идентификации опасных состояний системы в том случае, если нарушения в объекте существенно изменяют зависимости выходных переменных от входных воздействий или областей значений переменных. Обнаружение и диагностирование нарушений при кластерном анализе производят на основе идентификации некоторого образа - кластера - в пространстве нескольких переменных y1, y2,..., yL, соответствующего определенному состоянию работоспособности h, по данным измерения этих переменных. Примеры трех кластеров в области измеряемых значений y1 и y2 для состояний работоспособности h0, h1, h2 показаны на рис. 6.13.1. Границы кластеров определяют на основе обработки экспериментальных данных, полученных в различных и известных состояниях работоспособности. Выделение кластеров отражает различие параметров или вида оператора j модели объекта при разных состояниях работоспособности, разброс значений y в одном состоянии работоспособности характеризует изменение возмущающих воздействий. Каждому кластеру соответствует многомерная плотность распределения p(y1, y2,..., yL). Если измеряемые переменные независимы, то функция p(y1, y2,..., yL) равна произведению плотностей распределений p(yi) переменных yi, i= : p(y1, y2,..., yL) = kp(y1)p(y2) ... p(yL), где k - доля общей совокупности точек, занимаемая данным кластером, kÎ[0; 1]. Рис. 6.13.1. Кластеры в пространстве двух переменных для трех состояний работоспособности Чтобы охарактеризовать кластер по экспериментальным данным, в простейшем случае оценивают параметры распределения математического ожидания mi, среднего квадратического отклонения si переменной yi, i= , соответствующие одному состоянию работоспособности, а следовательно, и кластеру, определяют его границу как границу области с назначенной доверительной вероятностью. Если переменные yi независимы и распределены по нормальному закону, то главные оси кластеров расположены параллельно координатным осям. Нарушения методами кластерного анализа выявляют следующим образом. В момент времени tj производят очередное j-е измерение вектора y[j] = (y1[j],..., yL[j]). На основе взаимного расположения точки y[j] кластеров в L-мерном пространстве определяют состояние работоспособности h[j] в момент времени tj. Решение принимают на основе вычисления обобщенного расстояния от проверяемой точки y[j] до центров кластеров. В случае независимости переменных и нормальных распределений обобщенное расстояние rh до h-го кластера определяют по формуле rh = , (6.13.1) где yi[j] - значение компоненты yi вектора y[j]; , - параметры распределения ph(y1,..., yL) кластера, соответствующего состоянию h объекта. Точка y[j] относится к тому кластеру, для которого расстояние rh минимально. Можно также использовать модифицированное обобщенное расстояние r''h, учитывающее фактор k и определяемое по формуле = , , (6.13.2) где kh - фактор k для кластера, соответствующего состоянию h. ПРИМЕР. Объект - химический реактор; контролируются переменные: y1 - температура, y2 - концентрация компонента A, y3 - концентрация компонента B, y4 – давление; выделены три кластера, соответствующие состояниям: h0 - нормальное функционирование, h1 - нарушена подача хладагента, h2 - не работает мешалка, с параметрами =195, =10, =80, =5, =10, =2, =5, =0,5; =250, =20, =70, =5, =15, =3, =4,8, =0,5; =190, =15, =60, =7,5, =22, =5, =4,7, =0,6 (где si, mi - среднее квадратическое отклонение и математическое ожидание i-й переменной для n-го кластера). При очередном j-м измерении вектора y получены: y[j] = (y1[j]=220, y2[j]=75, y3[j]=12, y4[j]=4,9), обобщенные расстояния rh, вычисленные согласно (6.12.1), которые равны: rh0=2,88, rh1=2,06, rh=3,48. Расстояние rh1 минимально, поэтому y[j] соответствует состоянию h1. В ряде случаев пространство значений вектора y содержит определенный кластер. В зависимости от того, какому сектору принадлежит точка y[j], делают вывод о принадлежности ее к соответствующему кластеру, а следовательно, о том, какое состояние работоспособности и нарушение имеет место в рассматриваемый период времени. Классификационные (разделяющие) линии или функции, которые делят область наблюдаемых значений y на части, соответствующие различным состояниям работоспособности, определяют методами дискриминационного анализа и распознавания образов, например методами случайных плоскостей, потенциальных функций, которые реализуются на ЭВМ. ПРИМЕР. Имеются два информативных признака: y1, y2, по значениям которых определяют состояние или образ объекта. Возможны два состояния работоспособности: h0 и h1. Линия L делит область значений y=(y1, y2) на две части: Y0 и Y1; если yÎY0, то имеет место состояние h0, если yÎY1, то - h1. В общем случае L - разделяющая плоскость. Алгоритм построения линии L методом случайной плоскости содержит два этапа и заключается в следующем. На первом этапе проводится серия частных разделяющих линий Li, i=1,2,... . Для этого берут два первых значения y, принадлежащие разным образам, например y[1]ÎY0 и y[2]ÎY1, и проводят произвольную линию L1, разделяющие точки y[1] и y[2] (рис. 6.13.2,а). Берут следующее значение y[3], для определенности пусть y[3]ÎY1. Если y[3] и y[2] лежат в одной полуплоскости относительно L1, то новой линии не проводят; если же y[3] находится в одной полуплоскости с y[1]ÎY0, то проводят линию L2, отделяющую y[3] от y[1] (рис. 6.13.2,б). Далее рассматривают значение y[4]. При y[4]ÎY0 проводят линию L3, отделяющую y[4] от y[2]ÎY1 (рис. 6.13.2,в), и т.д. Первый этап заканчивается, когда будут введены все значения y[j], предназначенные для построения разделяющей линии. На втором этапе стирают те участки частных линий Li, по обе стороны которых имеются одноименные точки, оставшиеся участки образуют разделяющую линию L (рис. 6.13.2,г). В случаях, когда нельзя указать резкие границы, отделяющие области значений y, соответствующие различным состояниям работоспособности, используют математический аппарат нечетких множеств. В нечетком множестве его элементы имеют различную степень принадлежности к данному множеству. Это объясняется невозможностью полного и четкого описания различных ситуаций, неточностью измерения входных и выходных переменных объекта и т.д. Нечеткое множество A элементов некоторого множества Y определяют как совокупность упорядоченных пар (кортежей), составленных из элементов yÎY и степеней принадлежности mА(y)Î[0; 1], т.е. A={, yÎY, mА(y)Î[0; 1]} (где Y - область определения принадлежности mА). Рис. 6.13.2. Схемы построения разделяющей линии методом случайных плоскостей: а - два измерения; б - три измерения; в - четыре измерения; г - разделяющая линия L: о - измерения y[j]ÎY0; х - измерения y[i]ÎY1 Чем выше значение mА(y), тем больше элемент y соответствует множеству А. Например, y - температура в работающем химическом реакторе, yÎY={y1, y2, y3, y4, y5}, yi