KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DECYZJI W PROCESIE PROJEKTOWANIA BEZPIECZEŃSTWA OPERATORÓW SIŁOWNI OKRĘTOWYCH

Transkrypt

1 Wiesław Tarełko Tomasz Kowalewski Akademia Morska w Gdyni KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DECYZJI W PROCESIE PROJEKTOWANIA BEZPIECZEŃSTWA OPERATORÓW SIŁOWNI OKRĘTOWYCH Praca jest elementem i kontynuacją projektu badawczego finansowanego przez MNiSzW pt.: Metoda projektowania bezpieczeństwa operatorów złożonych obiektów technicznych. W niniejszym artykule przedstawiono podstawowe założenia i ogólne wyniki uzyskane w ramach tego projektu. Zasadnicza jego część poświęcona jest opisowi możliwości takiej rozbudowy stworzonego systemu, aby poprawiał on bezpieczeństwo operatora, tj. przez zmianę cech konstrukcyjnych maszyn, urządzeń, instalacji itp. znajdujących się w otoczeniu operatora wykonującego czynność eksploatacyjną. 1. WPROWADZENIE Podstawą realizacji projektu badawczego było stwierdzenie, że obecnie stosowane rozwiązania w zakresie projektowania bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowej są niewystarczające, czego wymownym przykładem są doraźne środki zaradcze wprowadzane we własnym zakresie przez załogę maszynową. Stwierdzono przy tym, że z praktycznego punktu widzenia zaprojektowanie siłowni okrętowej absolutnie bezpiecznej dla jej operatorów nie jest możliwe do zrealizowania. Pomimo występujących ograniczeń istnieją jednak pewne możliwości oddziaływania w zakresie poprawy bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowej. W tym celu należałoby podczas projektowania nowych siłowni okrętowych efektywniej wykorzystywać wiedzę ekspertów, czyli użytkowników (załoga maszynowa) oraz projektantów siłowni okrętowych. Zadanie to może spełnić system komputerowy wspomagający pracę projektantów siłowni okrętowej. System ten zawierałby wiedzę ekspertów i przez to umożliwiłby jej wykorzystanie w sposób prosty i przystępny. Możliwości zmian poziomu bezpieczeństwa operatora w siłowni okrętowej są w znacznym stopniu ograniczone. Przyczyny tego są następujące: znakomita większość maszyn, urządzeń i innego wyposażenia siłowni jest produkowana nie przez stocznię, lecz dostarczana przez producentów jako produkty gotowe to uniemożliwia ingerencję w postać konstrukcyjną jej maszyn, urządzeń i innego wyposażenia podczas procesu projektowania;

2 60 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 pomieszczenia i rejony rozmieszczenia takich urządzeń zostały określone podczas fazy opracowania projektu wstępnego siłowni oznacza to, że podczas procesu projektowania siłowni okrętowej nie ma możliwości dowolnego ich rozmieszczania w całej jej przestrzeni. Z tego też powodu w systemie komputerowym oddziaływanie na poziom bezpieczeństwa operatora będzie odbywało się poprzez: odpowiednie rozmieszczenie maszyn, urządzeń i innego wyposażenia siłowni w obszarze wcześniej zadanego pomieszczenia lub rejonu, wzajemne ich rozmieszczenie w zadanym obszarze, wybór konfiguracji i usytuowania instalacji łączących te urządzenia, wybór sposobu operowania ich działaniem. 2. OPIS DZIAŁANIA SYSTEMU Budowany system komputerowy wspomagający projektowanie bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowych podzielono na dwa moduły (rys. 1). Zadaniem pierwszego modułu jest przeprowadzanie identyfikacji obszarów o największym poziomie zagrożenia dla operatorów wykonujących zadania eksploatacyjne. Informacje te przekazywane są do drugiego modułu. Do jego zadań należy uzyskanie szczegółowych informacji odnośnie do rozpatrywanych obszarów zagrożenia oraz na ich podstawie wskazanie zasad projektowych, dzięki którym możliwe będzie zmniejszenie poziomu zagrożenia dla operatora w tych obszarach. Wspomagany komputerowo system projektowania bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowych System identyfikacji obszaru zagrożenia w siłowni okrętowej System doradczy wspomagający projektowanie elementów obszaru zagrożenia Identyfikacja obszaru zagrożenia i ocena poziomu ryzyka, jaki stwarza rozpatrywany obszar dla operatorów realizujących zadanie eksploatacyjne Udostępnianie zasad projektowych zmniejszających poziom ryzyka operatorów realizujących zadanie eksploatacyjne w obszarze zagrożenia Rys. 1. Moduły komputerowo wspomaganego systemu projektowania bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowych [7] Poszczególne części tego systemu zostały szczegółowo przedstawione w projektach badawczych [7, 8]. Ogólnie zasada działania systemu opiera się na współpracy projektanta siłowni z komputerem. Projektant, na podstawie analizy

3 W. Tarełko, T. Kowalewski: Komputerowe wspomaganie decyzji w procesie projektowania...61 odpowiedniej fazy projektowej oraz swojej wiedzy, intuicji i doświadczenia, dostarcza systemowi odpowiednich informacji. Komputer przetwarza uzyskane dane i przeprowadza hierarchizację elementów obszaru siłowni z punktu widzenia ich potencjalnego zagrożenia (moduł 1) lub przeszukuje bazę wiedzy w celu udostępnienia projektantowi reguł projektowych, które mogą najbardziej wpłynąć na poprawę bezpieczeństwa operatora (moduł 2). Ostateczna decyzja co do zmian projektowych zawsze jednak należy do projektanta. Opracowując wspomagany komputerowo system projektowania bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowych, przyjęto następujące założenia: 1. Rozwiązania projektowe dotyczące bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowej można wprowadzać na każdym etapie jej projektowania. 2. Poziom szczegółowości wprowadzanych rozwiązań projektowych zależy od etapu projektowania siłowni okrętowej według zasady: im wcześniejszy etap projektowania, tym rozwiązania projektowe są bardziej ogólne. 3. Sytuacja zagrożenia bezpieczeństwa operatora wystąpi tylko wtedy, gdy wykonuje on czynność eksploatacyjną dotyczącą obiektu technicznego siłowni. 4. Poszczególne rozwiązania projektowe dotyczą tylko tych miejsc siłowni (tzw. elementy obszaru zagrożenia), które stwarzają największe zagrożenie dla jej operatorów. Identyfikacja takich miejsc jest przeprowadzana na podstawie: informacji zawartych w dokumentacji projektowej dotyczącej danego etapu projektowania, wiedzy ekspertów z zakresu projektowania i eksploatacji siłowni. 5. Na podstawie tych informacji pierwszy z modułów rozpatrywanego systemu dokonuje oceny i hierarchizacji elementów obszaru zagrożenia w siłowni według zasady: im wcześniejszy jest etap projektowania, tym ocena jest bardziej szacunkowa i mniej dokładna. 6. Dla każdego etapu projektowania istnieje zbiór kierunków działań mających na celu zmniejszenie poziomu zagrożenia operatorów siłowni odnoszących się tylko do tego etapu. Wyróżniony zbiór kierunków działań powinien umożliwić opracowanie szczegółowych zasad projektowania zwiększających bezpieczeństwo operatorów siłowni. Dwa ostatnie założenia oznaczają, że nie ma możliwości wprowadzenia szczegółowych rozwiązań projektowych w początkowych etapach projektowania (nie można zidentyfikować wszystkich czynności eksploatacyjnych) oraz zbyt ogólnych rozwiązań projektowych w końcowych etapach projektowania, bo zwiększa to koszty związane z przeprojektowaniem siłowni. Z tego powodu konieczne było dobranie faz projektowych, w których można efektywnie wykorzystać tworzony system. Zdaniem autorów możliwość oddziaływania na bezpieczeństwo operatorów siłowni okrętowej istnieje tylko w następujących etapach projektowania: projekt wstępny, projekt techniczno-klasyfikacyjny, opracowanie dokumentacji warsztatowej. W tych właśnie etapach zostało przewidziane wykorzystanie budowanego systemu.

4 62 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik KIERUNKI DZIAŁAŃ MAJĄCYCH NA CELU ZMNIEJSZENIE POZIOMU ZAGROŻENIA DLA OPERATORA Jak już wcześniej wzmiankowano, udostępnianie szczegółowych zasad projektowania odbywa się na podstawie określonych kierunków działań. Ze względu na mnogość występowania czynników niebezpiecznych i szkodliwych w zasadzie każde miejsce w siłowni okrętowej, w mniejszym lub większym stopniu, stwarza zagrożenie dla jej operatorów. W związku z tym przyjęto generalną zasadę projektowania zmierzająca do minimalizowania czasu przebywania operatorów w siłowni, podczas realizacji różnych, wymaganych zadań eksploatacyjnych. Minimalizacja ta jednak powinna mieć swoje uzasadnienie w ocenie poziomu zagrożenia dla operatorów wykonujących określoną czynność eksploatacyjną dotyczącą konkretnego obiektu technicznego. Przy opracowywaniu kierunków działań zmierzających do zmniejszenia poziomu zagrożenia operatora rozważono również możliwość minimalizacji natężenia oddziaływania obszaru zagrożenia. Jako wyróżnik przy tworzeniu zbioru tych kierunków wykorzystano elementy tzw. łańcucha działania, rozpatrywanego w inżynierii eksploatacji (operator czynność obiekt techniczny). Zbiorcze przedstawienie kierunków działań zmniejszających poziom zagrożenia operatora zawarto w tabeli 1. Kierunki działań mających na celu zmniejszenie poziomu zagrożenia Tabela 1 Kierunki działań mających na celu zmniejszenie poziomu zagrożenia Elementy układu działania Operator Czynność Obiekt techniczny Minimalizacja czasu przebywania operatora w obszarze zagrożenia Eliminacja czasu przebywania operatora w obszarze zagrożenia Zmniejszenie czasu przebywania operatora w obszarze zagrożenia Automatyzacja wykonywanej czynności eksploatacyjnej Wytrenowanie operatora Zdalne sterowanie wykonywaną czynnością eksploatacyjną Mechanizacja czynności eksploatacyjnej Wycofanie obiektu technicznego do innego obszaru Dostępność, ergonomiczność operatora do obiektu technicznego Minimalizacja oddziaływania źródeł zagrożenia Eliminacja oddziaływania źródeł zagrożenia Zmniejszenie oddziaływania źródeł zagrożenia Automatyzacja wykonywanej czynności eksploatacyjnej Izolacja operatora poprzez środki ochrony osobistej Zdalne sterowanie wykonywaną czynnością eksploatacyjną Zamiana wykonywanych czynności poprzez zmianę zasady działania Wycofanie obiektu technicznego do innego obszaru Zmiana cech konstrukcyjnych obiektu Jednym z kierunków działań projektowych jest zmiana cech konstrukcyjnych obiektu. Celem tej pracy jest właśnie rozbudowa opracowanego systemu w sposób umożliwiający poprawę bezpieczeństwa operatora siłowni okrętowej poprzez zmianę cech konstrukcyjnych obiektów technicznych stwarzających zagrożenie.

5 W. Tarełko, T. Kowalewski: Komputerowe wspomaganie decyzji w procesie projektowania IDEA BUDOWY KOMPUTEROWEGO SYSTEMU WSPOMAGAJĄCEGO PODEJMOWANIE DECYZJI PROJEKTOWYCH Zaprojektowanie siłowni okrętowej bezpiecznej dla operatora wymaga znacznej wiedzy w tym zakresie. Taką wiedzą dysponują doświadczeni projektanci oraz eksploatatorzy siłowni okrętowych. Ponadto informacje na ten temat zawarte są w różnego rodzaju źródłach, takich jak: normy, poradniki, wytyczne projektowania, książki przedmiotowe itp. Wynika stąd, że informacje te są w znacznej mierze rozproszone. Budowa systemu wspomagającego projektowanie siłowni bezpiecznej dla operatorów umożliwia zebranie całej dostępnej wiedzy w jeden spójny system. Pozwoli to na zwiększenie efektywności procesu projektowania. W tym celu konieczne jest przeprowadzenie akwizycji wiedzy oraz przekształcenie w sposób zrozumiały dla komputera. Realizacja tego zadania może wiązać się z pewnymi problemami, szczególnie jeżeli chodzi o pozyskiwanie wiedzy od ekspertów. Wynika to przede wszystkim z faktu, że specjaliści z zakresu projektowania i eksploatacji siłowni okrętowych mogą formułować swoje oceny tylko w języku naturalnym. Takie opisy są w wielu wypadkach niejednoznaczne i trudno dają się analizować za pomocą komputerów, a praktycznie są nie do przyjęcia w systemach decyzyjnych wspomaganych komputerowo. Problem ten można jednak rozwiązać, wykorzystując metody stosowane w inżynierii wiedzy, w szczególności metody stosowane w systemach doradczych. Przyjęto więc, że wiedza ekspertów będzie przekształcana w język zrozumiały dla komputera z wykorzystaniem wyników modelowania systemu decyzyjnego, w tym z wykorzystaniem logiki rozmytej. Budowa systemu komputerowego wspomagającego pracę projektantów wymaga podjęcia następujących działań: opracowania zbioru zmiennych systemu, opracowania bazy wiedzy systemu zawierającej zalecenia projektowe, określenia relacji między zmiennymi wejściowymi systemu i zmiennymi wyjściowymi oraz opracowanie bazy wiedzy zawierającej te relacje, określenia zbiorów miar wartości poszczególnych zmiennych wejściowych oraz ich relacji w celu oceny realizacji zaleceń projektowych (wykorzystanie logiki rozmytej), implementacji komputerowej systemu oceny realizacji zaleceń projektowych, opracowania interfejsu graficznego systemu. Część z nich została już zrealizowana, to znaczy: wstępnie opracowano zbiór zmiennych systemu, częściowo opracowano bazę danych systemu zawierającą zalecenia projektowe, określono relacje między zmiennymi wejściowymi systemu i zmiennymi wyjściowymi oraz częściowo opracowano bazę danych tych relacji, wstępnie opracowano interfejs graficzny systemu. Na tej podstawie powstał prototyp systemu wspomagającego projektowanie bezpieczeństwa operatorów siłowni okrętowych.

6 64 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik SPOSÓB WYKORZYSTANIA SYSTEMU Pierwszy etap pracy z systemem polega na przeprowadzeniu identyfikacji obszarów, które mogą stwarzać zagrożenie dla operatora. Odbywa się to na podstawie informacji zawartych w projekcie siłowni i w tym celu wykorzystywany jest pierwszy moduł systemu. Następnie obszary o największym poziomie zagrożenia poddawane są dalszej analizie przy użyciu drugiego modułu systemu, dzięki czemu możliwe będzie udostępnienie szczegółowych zasad projektowych dla poszczególnych węzłów stwarzających zagrożenie dla operatora. W czasie tego procesu poziom zagrożenia określany jest na podstawie zestawu czynników funkcjonalnych, takich jak: zagrożenie czynnikami środowiska pracy, zagrożenie ciśnieniem, zagrożenie temperaturowe, zagrożenie chemiczne, zagrożenie energią mechaniczną, zagrożenie energią elektryczną. Każdemu czynnikowi przypisano odpowiednie przejawy. Ocena poziomu zagrożenia dokonywana jest przy wykorzystaniu logiki rozmytej. W tym celu dla każdego z przejawów zmiennych funkcjonalnych stworzono odpowiadające mu zbiory rozmyte. Przy określaniu wynikowego poziomu zagrożenia wzięto pod uwagę również częstotliwość kontaktu z danym rodzajem zagrożenia. Istotną kwestią z punku widzenia bezpieczeństwa operatora jest również rodzaj czynności wykonywanej przez operatora. Z tego powodu drugi moduł systemu wymaga od projektanta określenia czynności wykonywanych na węzłach konstrukcyjnych znajdujących się w obszarze zagrożenia. Informacje zgromadzone do tej pory przez system nie są wystarczające do udzielania szczegółowych wskazówek projektowych. W ramach rozważanej strategii projektowej konieczne jest uzyskanie od projektanta dodatkowych danych odnośnie do rozważanych węzłów konstrukcyjnych i ich otoczenia. Po zidentyfikowaniu węzłów konstrukcyjnych, w których otoczeniu czynności wykonywane przez operatora mogą stwarzać zagrożenie, konieczne jest uzyskanie informacji na temat konstrukcji obszaru, w którym ten węzeł się znajduje. Niezbędne jest więc określenie następujących danych: położenia węzłów konstrukcyjnych wpływających na bezpieczeństwo operatora, wymiarów dostępu do węzła, na którym wykonywana jest obsługa, wymiarów określających odległości poszczególnych węzłów znajdujących się w otoczeniu, dodatkowych informacji na temat zagrożeń stwarzanych przez węzły konstrukcyjne. Wszystkie te informacje uzyskiwane są na podstawie dialogu użytkownika z systemem. Opierając się na nich można stworzyć reguły pozwalające na zwiększenie poziomu bezpieczeństwa operatora wykonującego określoną czynność eksploatacyjną.

7 W. Tarełko, T. Kowalewski: Komputerowe wspomaganie decyzji w procesie projektowania...65 W pierwszym etapie użytkownik systemu wskazuje poziomy, na których przeprowadzana jest obsługa z zakresu ruchu i utrzymania ruchu dla rozpatrywanego węzła konstrukcyjnego. Określa się także położenie węzłów konstrukcyjnych znajdujących się w otoczeniu. Umożliwi to określenie pozycji operatora oraz ewentualnego zagrożenia wynikającego z umiejscowienia węzłów w otoczeniu. Wszystkie węzły konstrukcyjne, z którymi operator będzie miał styczność podczas realizacji określonej czynności eksploatacyjnej, zostały wcześniej ocenione na podstawie sześciu kryteriów oceny zagrożenia. Wartości poziomów zagrożenia dla poszczególnych kryteriów wykorzystywane są do generacji bardziej szczegółowych pytań związanych z konkretnymi rodzajami zagrożeń. W wypadku, gdy poziom zagrożenia zostaje określony jako niski lub bardzo niski, system nie tworzy dodatkowych pytań dotyczących tego zagrożenia. Kolejny krok polega na wskazaniu czynników konstrukcyjnych otoczenia. Na tej podstawie możliwe jest ustalenie dostępności węzła konstrukcyjnego, na którym wykonuje się czynność eksploatacyjną. Generowane zostają wizualizacje konstrukcji otoczenia w celu określenia prezentowanych w oknie graficznym wymiarów. Po zgromadzeniu wszystkich wymaganych informacji system udostępnia zalecenia projektowe dotyczące rozpatrywanego węzła oraz węzłów znajdujących się w jego otoczeniu i przedstawia je w oknie końcowym (rys. 2). Rys. 2. Zalecenia projektowe

8 66 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik WNIOSKI Na podstawie wyników uzyskanych z przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski: 1) Analiza bezpieczeństwa pracy operatora siłowni okrętowej już podczas procesu projektowania jest zadaniem bardzo istotnym i wymagającym znacznej wiedzy z tego zakresu. 2) Zgromadzenie tej wiedzy w jednym systemie umożliwia zwiększenie efektywności tego procesu. 3) Na podstawie zgromadzonych informacji dotyczących obszaru zagrożenia możliwe jest również stworzenie rozwiązań projektowych mogących znacznie poprawić bezpieczeństwo operatora. 4) Dalsza rozbudowa tego systemu może dać projektantowi narzędzie pozwalające weryfikować wpływ proponowanych rozwiązań projektowych na bezpieczeństwo operatora, po ich zastosowaniu. Ostateczna decyzja dotycząca wykorzystania zaleceń generowanych przez system zawsze jednak będzie uzależniona od projektanta. LITERATURA 1. Clocksin W.F., Mellish C.S., Programming in Prolog, Helion, Gliwice Lucas R., LPA PROLOG. Version 4.7. ProData Interface, Logic Programming Associates Ltd., London Łachwa A., Rozmyty świat zbiorów, liczb, relacji, faktów, reguł i decyzji, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa Piegat A., Modelowanie i sterowanie rozmyte, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa Shalfield R., LPA PROLOG. Version 4.7. Flint Reference, Logic Programming Associates Ltd., London Steel B.D., LPA PROLOG. Version 4.7. Technical Reference, Logic Programming Associates Ltd., London Tarełko W. i in., Antropotechniczne założenia do projektowania bezpiecznych obiektów technicznych sprawozdanie merytoryczne. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego nr 8T07C finansowanego przez KBN, Zeszyt nr 1, KPT, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia Tarełko W. i in. Metoda projektowania bezpieczeństwa operatorów złożonych obiektów technicznych sprawozdanie merytoryczne. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego nr 4 T07B finansowanego przez KBN, Zeszyt nr 1, KPT, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2009.

9 W. Tarełko, T. Kowalewski: Komputerowe wspomaganie decyzji w procesie projektowania...67 COMPUTER-AIDED DECISION MAKING PROCESS OF SHIP POWER PLANT OPERATOR SAFETY DESIGN (Summary) This paper constitute a part and continuation of research project Safety design method of complex technical objects. In the paper basic assumptions and general results obtained within a framework of this project are presented. The main goal of this project was to create an advisory system for safety design purposes. The essential part of the paper contain a description of this system and also present a proposition of system development. This development allow to improve operator safety by changing the structural attributes of hazard area.