Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования
1.1. Логико-вероятностный метод 7
1.2. Дерево отказов 11
1.3. Моделирование деятельности человека-оператора 18
1.4. Задачи исследования 23
2. Применение теории нечетких множеств при моделировании электроопасных ситуаций
2.1. Обоснование возможности применения теории нечетких множеств при моделировании электроопасных ситуаций 25
2.2. Определение показателей элементов логической модели с помощью нечетких чисел типа 31
2.3. Учет наличия в логической модели зависимых событий 36
2.4. Моделирование электроопасных ситуаций в сети с изолированной нейтралью 39
2.5 Моделирование электроопасных ситуаций в сети с заземленной нейтралью 45
2.6. Выводы 48
3. Математическое моделирование ошибочных действий электротехнического персонала 50
3.1. Определение вероятностей ошибочных действий персонала с помощью лингвистической переменной 51
3.2. Определение вероятности ошииочного действия электротехнического персонала как функции нечеткой точечной оценки экспертных данных 55
3.3. Моделирование ошибочных действий персонала при ведении ремонтных работ в действующих электроустановках 57
3.4. Моделирование ошибочных действий персонала при ликвидации аварий в действующих электроустановках 65
3.5. Выводы 67
4. Практика применения нечетких множеств для прогнозирования электротравматизма и оценки эффективности средств обеспечения электробезопасности
4.1. Определение динамики электротравматизма
4.1.1. Прогноз электротравматизма. 68
4.1.2. Причины электротравм 74
4.1.3. Динамика смертельного травматизма на линиях электропередачи различного напряжения 75
4.2. Оценка эффективности средств безопасности с помощью аппарата теории нечетких множеств 77
4.3. Методика прогнозирования показателей травматизма 79
4.4. Выводы 85
Заключение 86
Литература , 88
- Моделирование деятельности человека-оператора
- Моделирование электроопасных ситуаций в сети с изолированной нейтралью
- Моделирование ошибочных действий персонала при ведении ремонтных работ в действующих электроустановках
- Динамика смертельного травматизма на линиях электропередачи различного напряжения
Введение к работе
Актуальность работы, Статистика травматизма в любой отрасли экономики, в том числе и электроэнергетике, показывает необходимость совершенствования методов оценки и прогнозирования опасных ситуаций. В условиях декларирования опасных участков и производств требования к точности оценок и прогнозов резко возрастают.
Учитывая, что по большинству показателей, определяющих вероятность возникновения опасных ситуаций, статистическая информация либо отсутствует, либо весьма ограничена, появляется необходимость совершенствования существующих методов и методик оценки и прогноза показателей производственного травматизма.
Общеизвестно, что до 90 и более процентов несчастных случаев связаны с так называемым «человеческим фактором».
Статистика в данной области практически отсутствует. Дтя управления безопасностью в этой области необходима разработка новых подходов, позволяющих определять вероятности тех или иных ошибочных действий персонала.
Повышение точности прогноза, оценок вероятностей возникновения электроопасных ситуаций позволит также наиболее рационально распорядиться средствами, направляемыми на повышение безопасности труда.
Принятые в последнее время Федеральный закон о техническом регулировании и ГОСТ Р 12.0.006-2002 «Общие требования к управлению охраной труда в организации» также свидетельствуют об актуальности данной работы.
Работа выполнена в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники на период до 2010 года.
Цель работы — создание методики прогнозирования показателей производственного травматизма.
Идея работы - использование нечетких множеств при прогнозировании показателей производственного травматизма в условиях неопределенности, обусловленной недостаточностью или отсутствием статистического материала.
Научные положения, выносимые на защиту.
Для снижения уровня неопределенности при моделировании опасных ситуаций в действующих электроустановках должны использоваться нечеткие вероятности структурных элементов, задаваемые в виде нечетких чисел р. є [0; 1] с треугольные представлением функции принадлежности.
Нечеткие вероятности структурных элементов логической модели электропоражения, отражающие ошибочные действия персонала, при отсутствии соответствующих статистических данных, целесообразно определять на основе лингвистического подхода, позволяющего наиболее полно учитывать наличие расхождений в экспертных оценках.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием основных положений теории нечетких множеств, удовлетворительным совпадением результатов аналитических исследований со статистическими данными производственного травматизма.
Значение работы. Научное значение работы заключается в обосновании: возможности применения теории нечетких множеств для определения вероятностей событий при моделировании электроопасных ситуаций; вычисления вероятностей ошибочных действий электротехнического персонала с помощью лингвистического подхода; приложения нечетких множеств и нечетких отношений к прогнозированию показателей производственного травматизма.
Практическое значение работы заключается в разработке методики прогнозирования показателей травматизма.
Реализация работы. Научные положения, выводы и рекомендации использованы:
ФГУП «НИИТБчермет» - методика прогнозирования показателей травматизма;
Южно-Уральским государственным университетом в курсе «Основы электробезопасности» - методика оценки эффективности средств обеспечения безопасности.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены, рассмотрены и одобрены на Первой Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности на пороге третьего тысячелетия» (Челябинск - 2000 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Наука - Производство - Технологии - Экология» (Киров - 2002 г.), научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2000 - 2003 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 100 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 16 таблиц, список использованной литературы из 147 наименований.
Моделирование деятельности человека-оператора
Знание вида отказа позволяет уточнить исходные события и провести более точный количественный анализ.
Количественные возможности метода дерева отказов придают ему силу, хотя с точки зрения лучшего понимания проблем безопасности систем или выявления наиболее критических участков анализ деревьев отказов дает немного [23].
И хотя метод дерева отказов широко применим и эффективен для описания взаимосвязей отказов, однако большие деревья отказов трудны в понимании, не совпадают с обычными схемами протекания процессов и математически неоднозначны. Метод требует использования сложной логики [119].
Наиболее подходящим метод дерева отказов является только для тех систем, где события имеют бинарную природу [77]. Например, в [119] приведено дерево отказов для определения безопасности реактора WASH 1400. Однако большинство нарушений в сложных системах нельзя отнести к простым ситуациям типа «работает - не работает», поскольку они заключаются в отклонениях от установленных нормативов. И, хотя формально можно представить такие отклонения как бинарные события (принадлежность либо нет параметра установленному интервалу), это потребует значительного объема дополнительных сведений (не всегда доступных). Кроме того, последствия выхода за установленные границы столь многообразны, что на основании только факта выхода за указанные пределы, последствия невозможно предсказать [77]. И, поскольку в процессе решения большинства задач, связанных с моделированием, как в проектной, так и эксплуатационной практике, неизбежно приходится сталкиваться с различными видами неопределенности и, в частности, с неопределенностью исходной информации [9, 10, 27, 127], необходимо использовать специальные методы. Дополнение характеристики неопределенной исходной информации дифференцированной достоверностью ее различных значений является естественным обобщением интервального задания неопределенных факторов и тре бует отказа от традиционного построения моделей с помощью деревьев отказов и привлечения соответствующего математического аппарата, в качестве которого может служить аппарат теории нечетких множеств [19,95]. Человек является координирующим звеном в сложных системах, включающих большое количество единиц разнообразного оборудования, часто функционирующих в жестких производственных условиях при наличии помех, противоречивых сигналов, непрерывно меняющейся обстановки и тому подобное, что обусловливает высокие психологические нагрузки. Технические характеристики все более и более усложняющихся систем довольно часто плохо согласуются с возможностями человека. Недооценка человеческого фактора существенно снижает безопасность функционирования системы. Частота ошибок, допускаемых человеком при управлении сложными системами, весьма высока. Так, 40 - 50% всех аварий и катастроф, возникающих при испытаниях ракет, обусловлены участием в них человека [79, 81]; в 64% случаев корабли сталкиваются, тонут, садятся на мель из-за ошибок людей; 50% катастроф в авиации происходит по причине недостаточного учета психофизиологических особенностей человека [104]. По данным ООН автокатастрофы в 72 - 80% случаев происходят по вине человека [104]. Внутренние и внешние взаимосвязи сложных систем с участием человека-оператора зависят от очень большого числа факторов, причем их количественные характеристики, как правило, не поддаются точному прогнозу [72, 81]. Личностные качества человека-оператора при выполнении любого технологического процесса оказывают значительное влияние на безопасность [3, 4, 17,73,78]. Основными факторами, определяющими уровень возникновения опасных ситуаций по вине человека, являются следующие [7, 57, 69, 97, 104]: - биографические и антропометрические (возраст, стаж, образование, квалификация, пол и т.д.); - психофизические и физические (внимание, эмоции, воля, реакция, выносливость, координация движения и др.); - социально-психологические (удовлетворенность работой, климат в коллективе и т.п.); - климатические (метеорологические факторы, солнечная активность и др.). Оценке поведения человека, как звена сложной системы, посвящено большое количество исследований, в которых предприняты попытки классификации и оценки личности операторов, а также выяснены зависимости возникновения опасных ситуаций от личностных качеств человека-оператора [6, 40, 67, 72,97, 105]. На базе основных положений теории надежности технических систем разработаны [26, 51, 83, 118, 121] методы оценки надежности человека-оператора систем организационного управления в аспекте эргономики. Под надежностью человека-оператора понимается его способность выполнять в заданных условиях функции, предписываемые ему в данной системе, без ошибок и отказов в течение определенного времени [84]. У оператора отказами являются: прекращение работы под влиянием стрессовых воздействий, ошибки при восприятии и опознании, принятии решений, выполнении управляющих действий и другие.
Моделирование электроопасных ситуаций в сети с изолированной нейтралью
Рассматривая рис.2.7, можно указать следующие три зоны: «оптимистическая» (I), «пессимистическая» (II) и «зона адекватной оценки вероятности» (III), выделив из нечеткого множества чисел, приблизительно равных числу 5,7-10", подмножество а-уровня (а 0,5). Таким образом, наиболее близкое к истинному значение вероятности возникновения электроопасной ситуации применительно к структурной схеме, приведенной на рис.2.6, лежит в интервале (3,45 10" ; 8,05 10" ). При этом вероятность электропоражения не будет меньше, чем 1,2 10" и не превысит 1,04-10"3. Как и в случае определения вероятности возникновения электроопасной ситуации в сети с изолированной нейтралью, применение аппарата ТНМ при определении вероятности возникновения в сети с заземленной нейтралью позволяет учесть неопределенность исходной информации и получить, хотя и нечеткий, но тем не менее, более точный конечный результат. 2.6. Выводы 1. Обоснована возможность применения теории нечетких множеств для определения вероятностей тех или иных событий при моделировании электроопасных ситуаций. 2. Показано, что нечеткие вероятности событий целесообразно представлять как непрерывные нечеткие числа (L—R) -типа. 3. Доказано, что арифметические операции над нечеткими числами (L—/?)-типа существенно упрощаются при треугольном задании функции принадлежности. 4. Применение аппарата теории нечетких множеств обеспечивает повышение точности определения вероятности возникновения электроопасной ситуации при наличии в логико-вероятностной модели зависимых событий. 5. Оценка вероятности возникновения электроопасной ситуации в сети с изолированной нейтралью показала, что использование нечетких чисел позво ляет получить диапазон наиболее адекватной оценки вероятности конечного события путем выделения подмножества а-уровня (а = 0,5), при этом для сети с изолированной нейтралью напряжением выше 1000 В - это интервал (1,2 -10; 4,66 -10). Указанный интервал включает в себя значение вероятности электропоражения (2,33 -10" ), которая была получена при детерминированной оценке вероятностей исходных событий. 6. Для сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В вероят ность возникновения электропоражения представляет собой нечеткое множест во чисел, приближенно равных 5,7 10 , причем ее наиболее адекватная оценка представляет собой интервал (3,45 10 ; 8,05 10" ). Согласно статистике электротравматизма [91, 111], по организационным причинам происходит до 75% электропоражений от их общего количества. При этом, как уже отмечалось в главе 1, большая часть этих поражений обусловлена ошибочными действиями электротехнического персонала. Поэтому достоверная оценка вероятности совершения того или иного ошибочного действия имеет вполне определенное практическое значение, связанное с повышением уровня электробезопасности. Для определения вероятности совершения ошибочных действий электротехническим персоналом, являющихся причиной несчастного случая, может быть использован только метод экспертных оценок, поскольку наличие подобной статистики нам неизвестно. Полученная экспертным путем информация является неопределенной, нечеткой. В этом случае задание строгих границ «волевым» порядком или искусственное введение однозначности ведут к огрублению исходных данных и могут способствовать получению хотя и четкого, но неверного результата. Обработка нечеткой информации обеспечивается применением лингвистического подхода [19, 48, 82], позволяющего использовать для описания элементов структурной модели приближенные, субъективные оценки, формализуемые с помощью нечетких чисел и лингвистических переменных и оперировать формализованными объектами посредством аппарата теории нечетких множеств. Использование лингвистического подхода позволит задать численное описание отдельных элементов логической модели электропоражения, связанных с ошибочными действиями персонала при наличии нечеткой информации. В соответствии с лингвистическим подходом в качестве характеристики отношений между переменными используется не только числа, но и слова и предложения естественного языка [19]. В рамках указанного выше подхода оценка вероятностей ошибочных действий персонала обеспечивается понятием лингвистического критерия [19] (К т(К), ию Сю МК\ где К— наименование лингвистического критерия; Т(К) - терм-множество К (совокупность лингвистических значений); Uк - универсальное множество критерия с базовой переменной щ; G% — синтаксическое правило, порождающее название Т\ лингвистических значений критерия: Мк — семантическое правило, которое каждому лингвистическому значению 7/ в конкретном контексте ставит в соответствие его смысл М(Т). Причем M(Tj)= {j fj.T(uAlu,- нечеткое множество, обеспечи вающее переход от словесного к численному описанию объектов. В зависимости от базовой переменной лингвистические критерии разделим на два типа: числовой и нечисловой.
Моделирование ошибочных действий персонала при ведении ремонтных работ в действующих электроустановках
Анализ результатов табл.4.8 показывает, что при прогнозировании показателей, характеризующихся достаточно большими значениями (данные по ВЛ-10 кВ), получаемый результат достаточно хорошо совпадает с фактическим значением.
При малых числах совпадения или расхождения результатов определяется, в значительной степени, характером изменения показателей динамики.
Так, для ВЛ - 6 кВ характерно незначительное изменение показателей по годам. Расчетное значение для этих линий практически совпадает с фактическим (расчетное значение - 0,75, поскольку количество несчастных случаев может быть только целым, поэтому в табл.4.8 этот показатель равен 1). В случае ВЛ - 0,4 кВ расхождение между расчетным и фактическим значениями достаточно велико. При разработке программ повышения безопасности труда, определения приоритетных для финансирования направлений исследования и разработки новых средств безопасности целесообразно на начальном этапе составления технико-экономического обоснования определять эффективность предлагаемых решений. Такой подход не только сокращает сроки реализации программ повышения безопасности, но и существенно сокращает затраты, необходимые для этого. В настоящее время применительно к средствам обеспечения электробезопасности в качестве критерия эффективности предлагается изменение величины тока, который может протекать через тело человека до и после внедрения нового устройства. Действительно, величина тока, протекающего через тело человека, является одним из основных факторов, определяющих исход поражения электрическим током. Однако с учетом ряда обстоятельств, в частности, незнания механизма поражения людей электрическим током, использование в качестве предельно допустимых уровней идеальных токов (либо чисто постоянный, либо чисто синусоидальный, либо выпрямленный по классическим схемам ток) и др., использование указанного критерия нецелесообразно. В качестве других критериев могут быть использованы показатели травматизма: абсолютное число несчастных случаев, коэффициенты частоты и тяжести. Однако применение подобных критериев требует предварительного накопления информации (до внедрения предлагаемого решения) и сопоставления новых усредненных показателей спустя какой-то период времени (как правило, несколько лет). В ряде исследований [65, 91, 111], в качестве критерия эффективности предлагается изменение (понижение, повышение) вероятности возникновения электроопасных ситуаций после внедрения того или иного решения. Последний метод может быть использован на стадии технико-экономического обоснования того или иного проекта конкретного решения. Однако в указанном методе могут быть получены завышенные или заниженные оценки при недостаточном объеме или полном отсутствии необходимой информации. Этот недостаток может быть устранен применением аппарата ТНМ. Рассмотрим способ оценки эффективности какого-либо средства обеспечения электробезопасности, основываясь на данных, приведенных в 2.4. В общем случае необходимые, с точки зрения безопасности, характеристики того или иного средства безопасности могут быть рассчитаны по формуле: Покажем на примере устройства защиты от замыкания на землю возможности по формированию требований и оценке эффективности. Согласно рис.2.5, вероятность конечного события при вероятности отказа устройства защиты от однофазных замыканий на землю (первая ступень) равной 0,05 составляет (4,08- 10"8,2,33- 10 5, 6,98- Ю-5). Определим, какова должна быть вероятность отказа устройства защиты от однофазных замыканий на землю, при которой обеспечивается приемлемый уровень риска (заметим, что величина приемлемого риска принята равной 10" ). Решая уравнение (4.6), получим, что вероятность отказа устройства защиты от однофазных замыканий на землю отрицательна (р. 0), что противоречит определению вероятности. Полученный результат подтверждается аналогичными выводами о невозможности достижения приемлемого риска только с помощью устройства защиты от однофазных замыканий на землю [91, 111, 113, 125, 126]. Если уменьшить вероятность отказа устройства защиты от однофазных замыканий на землю с 0,05 до 0,01, то нечеткая вероятность конечного события определяется числом (1,79 10" , 1,87- 10" , 1,96- 10" ). В этом случае повышение уровня безопасности составит 20%. Приведенный пример показывает возможности применения аппарата ТНМ как для оценки эффективности, так и формировании требований к защитным характеристикам устройств безопасности.
Динамика смертельного травматизма на линиях электропередачи различного напряжения
Точность прогноза при применении метода нечетких множеств оказывается достаточно высокой, что не всегда может быть достигнуто при малом ретроспективном периоде другими методами прогнозирования. Применительно к задачам охраны труда это обеспечивает снижение затрат на обеспечение безопасности труда.
При малых значениях прогнозируемых показателей безопасности труда возможно возникновение большой относительной погрешности при малых абсолютных отклонениях.
Выделение в нечеткой вероятности возникновения опасной ситуации с треугольным заданием функции принадлежности зон «оптимизма» и «пессимизма» позволяет оценить эффективность средств безопасности проектирования, либо обосновать требования к уровню надежности этих средств.
На основании обобщения собственных результатов исследований динамики электротравматизма, причин электротравм, смертельного травматизма на линиях электропередачи различного напряжения разработана методика прогнозирования показателей травматизма, основанная на применении аппарата теории нечетких множеств.
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи прогнозирования показателей травматизма и оценки эффективности средств безопасности, обеспечивающее рациональное распределение ресурсов, направляемых на повышение безопасности труда. На основании выполненных теоретических и статистических исследований можно отметить следующие основные результаты и сделать выводы: 1. Обоснована возможность применения теории нечетких множеств для определения вероятностей тех или иных событий при моделировании электро опасных ситуаций. Показано, что нечеткие вероятности событий целесообразно представлять как непрерывные нечеткие числа (L—R)nna. Доказано, что арифметические операции над нечеткими числами (Х-/?)-типа существенно упрощаются при треугольном задании функции принадлежности. 2. Оценка вероятности возникновения электроопасной ситуации в сети с изолированной нейтралью показала, что использование нечетких чисел позво ляет получить диапазон наиболее адекватной оценки вероятности конечного события путем выделения подмножества а-уровня (а= 0,5), при этом для сети напряжением выше 1000 В - это интервал (1,2 10" ; 4,66 10" ). Для сети с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В вероятность возникновения электропоражения представляет собой нечеткое множество чисел, приближенно равных 5,7 10" , причем ее наиболее адекватная оценка представляет собой интервал (3,45 К)"4; 8,05 КГ4). 3. Определение вероятностей ошибочных действий персонала наиболее целесообразно осуществлять с помощью лингвистического подхода, позво ляющего в условиях практического отсутствия статистических данных нахо дить интересующие вероятности. При этом расчет вероятностей тех или иных событий, характеризующихся только наличием субъективной лингвистической информации, значительно упрощается при использовании функции нечеткой точечной оценки данных, представляющих собой интеграл объединения уров-невых подмножеств нечеткого множества субъективных оценок. 4. Определение вероятности электропоражения при ведении ремонтных работ показало, что она имеет значение, приближенно равное 1,13 10 или несколько меньше и при этом не превышает 1,93 -10" и не менее 3,1 10" . Ликвидация аварий в действующих электроустановках характеризуется малым значением вероятности возникновения электропоражения-2,53 10" . 5. Прогнозирование показателей производственного травматизма с применением метода нечетких множеств имеет более высокую точность при малом ретроспективном периоде, что не всегда может быть достигнуто при использовании других методов. 6. На основе обобщения собственных результатов исследований динамики электротравматизма, причин электротравм, смертельного травматизма на линиях электропередачи различного напряжения разработана методика прогнозирования показателей травматизма, основанная на применении аппарата теории нечетких множеств.
