Проблемы и суждения

Риск и неопределенность

(продолжаем разговор)

Н.Н. Андриенко, профессор, председатель правления

Е.Н. Голомовзый, первый заместитель председателя правления

В.Л. Корень, главный специалист НТА «Подъемные сооружения», 

г. Одесса

Когда вы убедились, что теория верна,

вы начинаете ее доказывать

Старая поговорка

Все нормативно-правовые документы по охране труда подъемных устройств  называются «Правила устройства и безопасной эксплуатации». Но мерой опасности является риск, другую меру еще не придумали.

В течение трех последних лет наш журнал представил ряд статей, предлагающих читателям обсудить обоснование продления срока службы подъемных устройств оценкой риска их работы. К сожалению, эти статьи остались без  комментариев. Молчание.

Наверное, мы недостаточно убедительно обосновали невозможность определения  остаточного ресурса, как принятого теперь критерия, для обоснования  продления срока службы объектов с оконченным сроком эксплуатации. Постараемся восполнить этот пробел и, кроме понятия «неопределенности», используем понятие «возможности, необходимости, лингвистической вероятности».

Невозможность рассчитать остаточный ресурс, что обосновано в предыдущих наших публикациях, объясняется и сильной  зависимостью поведения подъемного устройства от начальных условий – так называемый «эффект бабочки».

         «Эффект бабочки» связывают с именем  американского ученого Эдварда Лоренца. Ученый связал термин с зависимостью поведения системы от ее начального состояния. Сама идея впервые появилась в 1952 году у писателя-фантаста Рея Бредбери в рассказе «И грянул гром», где охотник, попав в прошлое, нечаянно раздавил бабочку и тем самым повлиял на судьбу американского народа: избиратели выбрали вместо лояльного кандидата – ярого фашиста.

Ничтожное изменение в прошлом приводит к непредвиденным большим изменениям в будущем, которые сильно расходятся с расчетами. Расчеты остаточного ресурса выполняются по тем же методам, что при проектировании. Невозможно знать фактические первоначальные характеристики материалов, комплектующих, квалификацию персонала, величину концентраторов напряжений.

Мы считаем, что теория менеджмента риска подъемных устройств должна претендовать в ближайшее время на звание точной дисциплины. В той мере, в какой она станет таковой, она должна не только разделять величие точных наук, но и признавать присущую им ограниченность: подобно физике или математике, она неизбежно станет в чем-то абстрактной и нереалистической дисциплиной (может быть, даже наукой).

Хотя менеджмент риска подъемных устройств не может достигнуть такой же точности, как физика, тем не менее, уже сейчас умеренную степень точности он все же гарантирует. Сама концепция точной дисциплины предлагает аналитическое исследование. Сейчас аналитические исследования, расчеты подъемных устройств достигли больших высот, несмотря на то, что основаны на достаточно абстрактных понятиях. Так, например, расчеты, на основе которых спроектированы, изготовлены и  успешно работают все подъемные устройства, основаны  на абстрактных понятиях, что сталь – сплошная среда, подчиняющаяся закону Гука, напряжения вычисляются в геометрической точке или крайнем волокне, силы и напряжения представляются вектором и тензорами и т.д. Там, где распределение напряжений очень сложно для аналитического описания, используются «условные» расчеты резьб, шлицев, сварных соединений.  Повторяем - все эти условности и допущения не мешают использовать подъемные устройства в нашей повседневной жизни, а абстракции позволили создать инженерную дисциплину «подъемные устройства».

Задача, которую мы ставим перед собой, заключается в приведении в порядок большой и сложной системы анализа риска подъемных устройств, особенно с оконченным сроком службы.

При построении аналитической модели риска нам приходится искать способ оценки разнообразных факторов, образующих риск в его изменчивых сочетаниях, полагаться на интуитивное знание на основе анализа реальных ситуаций.

Применение аналитических методов к риску весьма фрагментарно. Никогда мы не охватим все факторы, с которыми сталкиваемся в действительности. Ценность аналитической методики риска зависит от того, что существует в каждом конкретном случае большой класс общих элементов, которые при этом не просто присутствуют, но играют достаточно важную роль, чтобы  в значительной степени оказывать преобладающее влияние на риск подъемных устройств. Как, например, при экспертном обследовании  недостоверно определен режим нагружения или не учтена квалификация персонала. Кроме того, число таких элементов должно быть невелико.

В нашем случае это состояние элементов крана, человеческий фактор и лингвистическая вероятность. На основе анализа этих факторов мы можем утверждать при менеджменте риска подъемных устройств, что наши выводы «близки к истине» или «это верно при идеальном соответствии наших оценок реальности». В нашей ситуации многочисленные и разнообразные, но менее значимые «прочие элементы», которыми мы пренебрегли, например, случайность, полностью отсутствуют.

Так, в расчетах подъемных устройств относительно малое число физических знаков говорит о том, что произойдет, если принять упрощенные допущения. Эти упрощенные допущения включают точные указания размеров, механических характеристик материалов, масс, скоростей, ускорений, сил, различных коэффициентов и проч.

Такое установление для конкретного подъемного устройства этих параметров совершенно невозможно, и в то же время мы считаем эти параметры точно определенными. Только таким путем мы получили общие зависимости и описание отдельно взятых элементов подъемного устройства. А «неучтенные и возмущающие факторы» - это просто все, что не было точно определено, реальное устранение этих факторов невозможно осуществить и одновременно необходимо учитывать. Только таким путем мы получаем общие «законы» и описание отдельно взятых элементов и их поведение в отрыве от поведения других элементов подъемного устройства. И хотя такие законы, разумеется, никогда не будут адекватными ни для какого частного случая, ибо они неполны и  не включают все элементы, имеющиеся в данной конкретной ситуации, все же они позволяют нам находить разумное решение практических задач проектирования и анализа состояния подъемных устройств, т.к. законы в известном приближении отражают истину и мы делаем поправки на их неполноту.

Международные и национальные стандарты управления рисками (Risk Management Standard) носят общий, скорее теоретический характер, и предназначены, в основном, для проектирования систем, экономики, банковского дела, бизнеса. Управления и мониторинга рисков подъемных устройств нет. При разработке методологии управления рисками подъемных устройств надо пройти через туманность и нечеткость сегодняшних пониманий этой проблемы, а точнее – отсутствия четкого понимания.

Сейчас заключение о возможности продления срока службы подъемного устройства после различных измерений происходит на основе опыта эксперта, на основе «здравого смысла». Но один острослов сказал, что так назвали это явление здравым смыслом потому, что оно уже очень редкое явление.

Эксперт сейчас вынужден основываться на собственном опыте и степени точности прежних заключений.

Риск представляет собой объективную вероятность того или некоего события и может быть выражен количественно в виде математически вероятностного распределения негативных инцидентов  подъемных устройств. Чем больше вероятность отклонения от ожидаемой величины при таком распределении, тем больший риск, и наоборот.

Однако такой подход к количественному выражению риска при экспертизе подъемных устройств с оконченным сроком службы не может быть применен, на что неоднократно указывалось в наших публикациях.

В то же время существует неопределенность, что неблагоприятное событие с подъемным устройством произойдет, и это нельзя измерить или просчитать. В дополнении к риску как мере опасности, надо рассмотреть неопределенность. Сущность инженерной деятельности эксперта – это умение «пройти» сквозь неопределенность. Источников неопределенно много, но прежде всего это неполнота, недостаточность знаний. Другой источник неопределенности – это случайность, то, что в  сходных условиях происходит неодинаково, что заранее нельзя предугадать. Третья причина неопределенности – противодействие коллег эксперта, руководства и персонала организации.

Как уже отмечалось, для оценки риска подъемных устройств, находящихся в эксплуатации, нет адекватной модели, которая бы  отвечала реальной ситуации. Подъемные устройства являются достаточно сложными системами, при работе которых человек играет активную роль. Здесь действует так называемый принцип несовместимости: для получения выводов о поведении сложной системы необходимо отказаться от высоких стандартов точности и строгости, которые характерны для простых систем (например, испытания стандартных образцов металла, работоспособность подшипников качения и проч.), и привлечь к ее анализу подходы, которые являются приближенными по своей природе.

Высокие стандарты точности, которые преобладают в математике, физике, инженерных дисциплинах (теоретическая механика, теория упругости), находятся в явном противоречии с неточностью наших знаний. Во всех инженерных расчетах введены различные коэффициенты с широким диапазоном значений, которые «подправляют» очень точные расчетные формулы.

Все расчеты допустимых нагрузок основаны на результатах испытаний стандартных образцов. Однако эти сведения очень неопределенные с учетом того, что неизвестны действительные механические характеристики метала всех элементов подъемных устройств.  Вероятностная трактовка характеристик сопротивления усталости и построение полных вероятностных диаграмм усталости связано со значительным рассеиванием таких характеристик как усталостная долговечность при заданной амплитуде напряжений или предел ограниченной выносливости, соответствующий заданному числу циклов. Так, например, значение отношения наибольшей  долговечности к наименьшей в выборке из 20-40 образцов из одной плавки высокопрочной стали, испытанных при одной и той же амплитуде напряжений в совершенно идентичных условиях, может доходить  до 100%.  Даже рассеивание предела текучести ст3сп составляет 10%. Еще с большей неопределенностью сталкиваемся при определении основной характеристики цикличной  трещиностойкости - определения порога развития усталостной трещины. Так, в уравнении Пэриса скорость развития трещины V=C(ΔК)ⁿ  есть две константы С и n, которые определяются характеристикой металла и видам сварного соединения конструкции. Формула справедлива только на линейном участке диаграммы  V,ΔK (или K), а  в формулу максимального усилия испытательной машины при определении характеристик трещиностойкости при статическом нагружении (ГОСТ 25.506) входят не совсем точные значения Ϭ_o,2 и Ϭ_В.

В эскизном проекте регламента менеджмента риска подъемных сооружений с оконченным сроком службы [3] оценка риска произведена на основе теории нечетких множеств и лингвистической переменной. Такой подход основан на работах американского математика Л. Заде [4]. Введение лингвистических переменных позволило описать неточное (нечеткое) отражение человеком окружающего мира. Для того, чтобы лингвистические переменные стали полноправными математическими объектами, потребовалось расширить одно из базовых понятий математики – понятие множеств. Для этого было введено определение нечеткого множества и разработана теория нечетких множеств. Нечеткое множество задается с помощью характеристической функции, определяемой следующим образом.

Пусть А – так называемое универсальное множество. В нашем случае – это множество всех сборочных единиц подъемного устройства,  множество нормативных документов  и руководств по эксплуатации, множество действий  персонала (учет человеческого фактора).

Буквой Х обозначим возникновение  неблагоприятной ситуации  с  одним из элементов А. Функция принадлежности к неблагоприятной ситуации с конкретным элементом А_і множества А обозначим  μ_Ai(x). Например, лебедка, состояние механизма удовлетворительное, μ_Ai=0,3 (степень принадлежности к риску).

Техническое обслуживание выполняется почти всегда - μ_Ai=0,2

Сведения, полученные экспертом, высокой точности - μ_Ai=0,1

Достаточно подробно методика определения риска подъемных устройств описана в эскизном проекте «Регламент менеджмента риска подъемных сооружений с оконченным сроком службы» [3] и других публикациях в нашем журнале.

В приведенном примере и эскизном проекте [3] использовано понятие  лингвистической переменной [4]. Лингвистическая переменная  отличается от числовой переменной тем, что ее значениями являются не числа, а слова или предложения в естественном или искусственном языке (языке программирования). Поскольку слова менее точны, чем числа, понятие  лингвистической переменной дает возможность приближенно описывать не только техническое состояние подъемного устройства, но и влияние человеческого фактора на безопасность, т.е. устанавливать риск эксплуатации.

Обсуждая результаты экспертного обследования или причины аварии, мы используем, например, такие выражения: работать нельзя, далеко не всегда, сведения сомнительны и т.д. Наши высказывания основаны на осмотрах, измерениях, опросах, расчетах, аналогичных ситуациях. Все  наши рассуждения приближены и не точны, не смотря на то, что основаны на четких расчетах и жестких правилах.

(Продолжение следует)