Dynamiczna ocena ryzyka wykolejenia pojazdu kolejowego

Transkrypt

1 Michał Opala 1 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Dynamiczna ocena ryzyka wykolejenia pojazdu kolejowego 1. WPROWADZENIE Pomimo stosowania wielu działań prewencyjnych i doskonalenia istniejących systemów zabezpieczających, wciąż pojawiają się nowe wypadki o charakterze katastroficznym, będące wynikiem kolizji lub wykolejenia. Za jedną z przyczyn występowania takich stosunkowo rzadkich, lecz katastrofalnych w skutkach zdarzeń można uznać niewielką liczbę skutecznych systemów monitorowania poziomu bezpieczeństwa czynnego oraz odpowiednich narzędzi modelowania, które oparte są na wykorzystaniu danych rejestrowanych w czasie rzeczywistym. Celem stosowania tego rodzaju środków jest umożliwienie wczesnego ostrzegania przed niebezpiecznymi zdarzeniami oraz identyfikacja miejsc, w których takie zdarzenia mogą wystąpić. Jednocześnie brak jest odpowiednich kryteriów a także parametrów oceny i wykrywania nietypowych zdarzeń mogących prowadzić do wypadku. Jedną z popularnych obecnie metod wykorzystywanych do predykcji możliwości wystąpienia niebezpiecznych zdarzeń i ich konsekwencji jest metoda ilościowej oceny ryzyka wykorzystywana w ramach systemu zarządzania bezpieczeństwem. Wadą tej metody jest brak możliwości aktualizowania wartości ryzyka w czasie trwania analizowanego procesu [3]. W trakcie działania procesu nietypowe zdarzenia prowadzą często do występowania incydentów i sytuacji grożących wypadkiem, zdarzenia takie nazywane są prekursorami. Konwencjonalna analiza ryzyka z reguły nie uwzględnia informacji o tego typu zdarzeniach. Istnieje także pewna liczba niebezpiecznych zdarzeń, które w ogóle nie są zgłaszane w konwencjonalnym systemie raportowania. 2. PROBLEM BADAWCZY I METODA BADAWCZA Aby oszacować poziom ryzyka wykolejenia pojazdu szynowego niezbędna jest znajomość prawdopodobieństwa, z jakim zdarzenie wykolejenia może wystąpić oraz wielkość możliwych negatywnych skutków. W artykule posłużono się zaproponowanym przez autora prostym modelem oceny, który przy pomocy odpowiednio sformułowanych wskaźników bezpieczeństwa umożliwia oszacowanie potrzebnych wielkości. Oprócz wskaźników bezpieczeństwa jazdy pojazdu wykorzystano także dodatkowe wskaźniki ryzyka związanego z następstwami wykolejenia, takie jak prędkość a więc ilość energii kinetycznej, jaką pojazd posiada w chwili wykolejenia. Ilość energii kinetycznej pojazdu równoważna jest pracy sił niszczących, których działanie wpływa na poziom negatywnych skutków wypadku. Z punktu widzenia bezpieczeństwa pojazdu i jego pasażera nie jest więc obojętne przy jakiej prędkości jazdy może nastąpić wykolejenie oraz w jakim otoczeniu znajduje się w takim momencie pojazd. Oparte na pomiarach badania bezpieczeństwa pojazdów kolejowych w związku z ich właściwościami biegowymi wykonywane są z reguły jednokrotnie w czasie przyjęcia pojazdu do eksploatacji. W proponowanej metodzie ocena może odbywać się na bieżąco w trybie online z wykorzystaniem odpowiedniej struktury technicznej systemu monitorowania. Przy ocenie prawdopodobieństwa wypadku wzięto pod uwagę koncepcję prekursorów, czyli danych mających wskazywać na zaistnienie zdarzeń i warunków prowadzących do wypadku (rys. 1). W literaturze koncepcja ta opisana była pierwotnie w pracach Heinricha, a następnie w wielu innych pracach np.[9]. 1 opala@wt.pw.edu.pl Logistyka 4/

2 Rys. 1. Prekursory wypadków Koncepcja ta opiera się na trzech spostrzeżeniach dokonanych pierwotnie w czasie obserwacji procesów produkcyjnych i analizy roszczeń ubezpieczeniowych: 1. małych wypadków jest proporcjonalnie więcej niż dużych, 2. bliższe oględziny wypadku pozwalają stwierdzić, że było wiele warunków i zdarzeń poprzedzających i prowadzących do wypadku, przy czym małe wypadki często poprzedzają duże, 3. przyczyny małych i dużych wypadków mogą być podobne. Ostatnie spostrzeżenie może być kontrowersyjne [1] ze względu na dużą ogólność i niewystarczającą ilość danych potwierdzających jego słuszność. Natomiast przyjmuje się, że w szczególnych przypadkach jest ono prawdziwe. Poniżej wymieniono niektóre prekursory związane z bezpieczeństwem jazdy pojazdów szynowych: Uszkodzenia elementów toru i podtorza, Uszkodzenie lub niewłaściwe użycie systemu sygnalizacji, Uszkodzenie hamulców, Uszkodzenie elementów zawieszenia, Uszkodzenie układu jezdnego pojazdu, w szczególności: łożysk osi zestawów kołowych oraz kół (płaskie miejsca, pęknięcia, utrata okrągłości). Przy wyborze odpowiednich prekursorów z reguły niezbędny jest kompromis pomiędzy precyzją prognozowania wypadku w wyniku określonego typu zdarzenia inicjującego a liczbą monitorowanych typów zdarzeń oraz złożonością całego systemu. W artykule za prekursory przyjęto przekroczenia wartości dopuszczalnych wskaźników bezpieczeństwa i zasadnicze zmiany wartości niektórych istotnych parametrów układu pojazd szynowy - tor. W przypadku bezpieczeństwa jazdy najczęściej stosowane wskaźniki bezpieczeństwa oparte są na wielkościach dynamicznych (Y/Q, H) i wielkościach kinematycznych (przyspieszenia poprzeczne i pionowe odpowiednich punktów pojazdu). W proponowanej metodzie ze względów praktycznych ograniczono się do wykorzystania wskaźników bezpieczeństwa opartych na wielkościach kinematycznych. Oprócz wskaźników normatywnych wykorzystano także inne wskaźniki [5], [6], [7]. Przekroczenie wartości dopuszczalnych traktowane jest jako zdarzenie inicjujące, które może doprowadzić do wykolejenia. Przyczyny prowadzące do zdarzenia inicjującego wykolejenie i możliwe następstwa przedstawione są za pomocą drzewa zdarzeń na rys Logistyka 4/2014

3 Przyczyny prowadzące do zdarzenia inicjującego wykolejenie Zdarzenie inicjujące (przekroczenie wartości dopuszczalnych) Z1 Nieskuteczne działanie systemu bezpieczeństwa Z2 Wykolejenie Z3 Duża prędkość jazdy w chwili wykolejenia Z4 Teren zabudowany Z5 Skutki A P4 Związane z torem: -pogorszenie jakości geometrii toru, -uszkodzenie szyn i mocowania szyn do podkładów, P2 P3 1-P4 B C -degradacja podtorza, P1 1-P3 -przeszkoda znajdująca się na szynach D 1-P2 Związane z pojazdem: -uszkodzenia układu jezdnego albo zawieszenia 1-P1 E Skutki: A- Katastrofa, ofiary śmiertelne lub obrażenia, duże zniszczenia infrastruktury i taboru, B- Katastrofa, możliwe ofiary śmiertelne lub obrażenia, zniszczenia infrastruktury i taboru, C- Brak ofiar śmiertelnych, możliwe obrażenia, niewielkie zniszczenia infrastruktury i taboru, D- Uniknięcie wypadku, E- Zadziałanie systemu bezpieczeństwa i uniknięcie wypadku. Rys. 2. Przyczyny prowadzące do zdarzenia inicjującego wykolejenie i możliwe następstwa 3. OCENA RYZYKA Elementem oceny ilościowej jest ustalenie wartości prawdopodobieństwa wykolejenia na podstawie przyjętego modelu, wykorzystując informację o występowaniu zdarzeń inicjujących oraz odniesienie wyniku do przyjętych wartości referencyjnych. Układ jezdny pojazdu wraz z torem, traktowany jest z punktu widzenia teorii niezawodności jako czarna skrzynka - element którego zadaniem jest zapewnienie właściwego prowadzenia pojazdu w torze w pewnym z góry nieokreślonym czasie, a uszkodzenie tego elementu oznacza wykolejenie pojazdu. Prawdopodobieństwo skutku A będącego wynikiem wykolejenia można zapisać następująco: P ( A Z1) P( Z1) P( Z 2) P( Z3 Z1 Z 2) P( Z 4) P( Z5) = (1) Przyjęto, że rozkład prawdopodobieństwa wykolejeń jest rozkładem Poissona: Logistyka 4/

4 ( = k λs) P Y ( s) s k λ λ e =, k k! { 0,1,2,3... } gdzie: k liczba wykolejeń, s droga [km], λ funkcja intensywności uszkodzeń (wykolejeń). Estymator intensywności wykolejeń określony w dziedzinie drogi [km -1 ]: lw λ = (3) l gdzie: l w liczba wykolejeń, l p praca przewozowa [pociągokilometry]. Wyznaczanie prawdopodobieństwa wykolejenia po zdarzeniu inicjującym oparte jest na modelu losowym, w którym przyjęto następujące założenia: a) każde pojawienie się prekursora wypadku (przekroczenie wartości dopuszczalnych) ma tylko dwa możliwe następstwa: zadziałanie zabezpieczeń (sukces) lub wykolejenie (porażka), b) prawdopodobieństwo sukcesu s lub porażki p=1-s jest stałe w przyjętym okresie, c) każda próba jest niezależna. Prawdopodobieństwo uzyskania dokładnie x sukcesów przy n próbach jest opisywane rozkładem dwumianowym. Korzystając z prawa rzadkich zdarzeń, rozkład dwumianowy może być przybliżony rozkładem Poissona. Estymator średniego prawdopodobieństwa wykolejenia po zdarzeniu inicjującym: p λ p = (4) gdzie: n s średnia liczba zdarzeń inicjujących dla przyjętej długości drogi s. Identyfikacja zagrożeń w postaci zdarzeń inicjujących prowadzona jest na podstawie pomiarów wykonywanych podczas eksploatacji nadzorowanej pojazdu (tab.1, rys. 3). W czasie pomiarów mierzono wielkości związane ze wskaźnikami bezpieczeństwa jazdy. Każde zarejestrowane zdarzenie inicjujące może być związane z kilkoma różnymi przyczynami. Tabela. 1. Zarejestrowane zdarzenia inicjujące (przekroczenia wartości dopuszczalnych) w czasie eksploatacji nadzorowanej Data Liczba przekroczeń n s Czas rejestracji [h] Średnia Prędkość jazdy [km/h] Odchylenie standardowe Listopad ` Grudzień ` , Styczeń ` Luty ` Marzec ` Kwiecień ` , Maj ` Czerwiec ` Lipiec ` Sierpień ` SUMA (2) 2304 Logistyka 4/2014

5 Przyjęcie założenia o stałym prawdopodobieństwie sukcesu jest uproszczeniem, gdyż prawdopodobieństwo wykolejenia zmienia się w zależności od warunków, jest ono jednak stosunkowa małe. Ponadto predykcja bezpieczeństwa ma tutaj charakter oszacowania. Prawdopodobieństwo wykolejenia z uwzględnieniem liczby zdarzeń inicjujących, dla małych wartości P 2 : nps P2 = 1 e nps (5) Estymator prawdopodobieństwa dużej prędkości jazdy w chwili wykolejenia: w P 3 =, (6) n gdzie: w liczba zdarzeń inicjujących przy dużej prędkości jazdy (w odniesieniu do przyjętej prędkości referencyjnej v lim ), n liczba wszystkich zdarzeń inicjujących dla danego odcinka drogi. Rys. 3. Zdarzenia inicjujące dla okna ruchomego długości 10 km Prawdopodobieństwo tego, że zdarzenie inicjujące miało miejsce w obszarze zabudowanym: P d =, (7) d min 4 ; d d min d max d- odległość do najbliższego obiektu inżynierskiego (na podstawie współrzędnych geograficznych położenia pojazdu i danych z systemu POS- Prowadzenie Opisu Sieci). Dane te zawierają współrzędne geograficzne położenia elementów infrastruktury takich jak: stacje kolejowe, tunele, wiadukty, budynki, rozjazdy itp. (rys. 4). Jako wartości graniczne przyjęto w obliczeniach następujące dane: d min = 100 m; d max = 1000 m; v lim = 100 km/h. Intensywność wykolejeń oraz pozostałe estymatory przedstawiono w dziedzinie drogi, gdyż taki sposób jest naturalny dla pojazdów. Z drugiej jednak strony w przypadku standardów niezawodnościowych, wartości referencyjne podawane są najczęściej w dziedzinie czasu. W dalszej części artykułu wyniki mogą być przedstawione w dziedzinie czasu lub drogi. Wartości pozostałych prawdopodobieństw przyjęto na podstawie danych statystycznych o wypadkach kolejowych. Logistyka 4/

6 Rys. 4. Mapa fragmentu sieci kolejowej Polski wraz z zaznaczonymi lokalizacjami obiektów inżynierskich Częstotliwość występowania skutku A: λa = λ P( A Z1) (8) Korzystając z powyższych wzorów oraz z danych statystycznych za rok 2010, można obliczyć wartość parametru intensywności wykolejeń λ=5, [km-1] lub w dziedzinie czasu λ= [h-1]. Powyższe wartości wraz z grupą prawdopodobieństw (skutków ABCDE), obliczonych wg schematu przedstawionego na rys. 2 są wskaźnikami bezpieczeństwa czynnego przedstawionymi w formie prawdopodobieństwa (przykład obliczonych prawdopodobieństw skutków ABC dla trasy WarszawaPoznań-Terespol-Kraków pokazano na rys. 5). Rys. 5. Prawdopodobieństwo wypadku o skutkach A, B, C, wg rys Logistyka 4/2014

7 Ocena poziomu ryzyka z reguły prowadzona jest na podstawie kryteriów zawartych w normach lub w odniesieniu do istniejących systemów referencyjnych uznanych za bezpieczne. Jako wartości referencyjne dla wypadków związanych z wykolejeniem bez ofiar śmiertelnych przyjęto wartości zawarte w normach opisujących standardy niezawodnościowe poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa funkcjonalnego SIL (ang. Safety Integrity Level) wg normy EN oraz miary niezawodności funkcji bezpieczeństwa - poziomu działania PL (Performance Level) wg normy EN ISO Normy te definiują odpowiednie wartości dopuszczalnego prawdopodobieństwa uszkodzenia elementu kluczowego z punktu widzenia bezpieczeństwa. Pierwszy standard stosowany jest przede wszystkim do urządzeń elektrycznych, natomiast drugi jest bardziej neutralny technologicznie i obejmuje również urządzenia mechaniczne, obydwa standardy są koncepcyjnie zbliżone i do pewnego stopnia porównywalne [4]. Poziom PL e oznacza najlepszą niezawodność i jest wymagany na najwyższym poziomie zagrożenia. Przykłady wartości prawdopodobieństw podano w tabeli 2 poniżej. Tabela 2. Wartości referencyjne na podstawie norm EN ISO oraz EN λ / PFH (Probability of Failure per Hour) PL SIL 10-5 λ < 10-4 a - 3*10-6 λ < 10-5 b λ < 10-5 c λ < 10-6 d λ < 10-7 e 3 Źródło: opracowanie własne na podstawie norm przytoczonych w tekście. W przypadku ryzyka związanego z katastroficznymi skutkami wypadków pociągających za sobą ofiary śmiertelne, wartości ryzyka dopuszczalnego wyznacza się z reguły korzystając z zasad opisanych w tabeli 3. Często przyjmuje się, że dopuszczalny poziom ryzyka wypadku śmiertelnego w systemie technicznym nie powinien być większy niż w ciągu roku (lub w ciągu godziny) [11]. Tabela 3. Kryteria akceptowalności ryzyka ALARP GAMAB/GAME MEM Zasady ogólne Rodzaj ryzyka Zalety Wady Oparte na częstotliwości występowania zagrożeń i poziomie konsekwencji, wyznaczenie 3 obszarów ryzyka. Ryzyko grupowe lub indywidualne. Niewymagany system odniesienia. Bardziej złożona analiza; monetarna wartość zapobiegania wypadkom śmiertelnym nie akceptowana w niektórych krajach. Porównanie dwóch systemów, nowy system musi być tak samo lub mniej ryzykowny niż istniejący. System odniesienia. Utrzymuje co najmniej obecny poziom bezpieczeństwa, z tendencją do jego poprawy. Potrzebny system odniesienia oraz odpowiednie dane o pracy systemu; niejasna ocena w przypadku kompensowania się całkowitego ryzyka dla bardziej i mniej ryzykownych podsystemów. Źródło: opracowanie własne na podstawie norm przytoczonych w tekście. Obliczenie THR (Tolerable Hazard Rate) na podstawie niezależnego poziomu odniesienia. Ryzyko indywidualne (prawdopodobieństwo wypadku śmiertelnego w czasie). Niewymagany system odniesienia, niezależny poziom bezpieczeństwa jest z góry ustalony. Kryterium nie zawsze akceptowane; arbitralne założenia co do ryzyka w podsystemach (udział w ryzyku całkowitym systemu). Logistyka 4/

8 4. WYZNACZANIE MAPY RYZYKA Dane zarejestrowane przy pomocy czujników zainstalowanych na pojeździe będącym w eksploatacji nadzorowanej, w tym także dane o położeniu geograficznym pojazdu wykorzystane są do oznaczenia odcinków linii kolejowej, na których dochodzi do systematycznego przekraczania wartości dopuszczalnych wskaźników bezpieczeństwa czynnego (miejsca zaznaczone na rys. 6). Dla każdego z tych miejsc wyliczane jest następnie prawdopodobieństwo wystąpienia wypadku o skutkach katastroficznych. W przyjętym modelu poziom negatywnych skutków zależy od tego, z jaką prędkością porusza się pojazd w miejscu gdzie systematycznie występują zdarzenia inicjujące oraz czy obszar ten jest zabudowany. Rys. 6. Przykład mapy odcinków o niskim poziomie bezpieczeństwa czynnego, oznaczonych prostokątem 5. PODSUMOWANIE Jedna z istniejących definicji bezpieczeństwa opisuje to pojęcie jako stan w którym rozpoznane zagrożenia są kontrolowane a poziom ryzyka jest akceptowalny. Ocena poziomu bezpieczeństwa jest więc ściśle związana z oceną ryzyka, ma to również swoje odzwierciedlenie w regulacjach prawnych. W przypadku systemu kolejowego przepisy europejskie narzucają konieczność prowadzenia oceny ryzyka w postaci takich przepisów jak np. dyrektywa 2004/49/WE, rozporządzenie (WE) NR 352/2009, norma PNEN W artykule przedstawiono prosty model dynamicznej oceny ryzyka związanego z bezpieczeństwem jazdy pojazdu kolejowego, który wykorzystuje dane rejestrowane w czasie rzeczywistym. W odróżnieniu od metod oceny bezpieczeństwa ze względu jedynie na właściwości biegowe wg PN-EN 14363, uwzględnione są dodatkowe czynniki takie jak prędkość jazdy w momencie wykolejenia i położenie w terenie zabudowanym. Zastosowanie metody wymaga odpowiedniego systemu technicznego pozyskiwania danych i algorytmu ich przetwarzania [1], [7], [8] Logistyka 4/2014

9 Streszczenie Pomimo stosowania wielu działań prewencyjnych i doskonalenia istniejących systemów zabezpieczających, wciąż pojawiają się nowe wypadki o charakterze katastroficznym, będące wynikiem kolizji lub wykolejenia. Za jedną z przyczyn występowania takich stosunkowo rzadkich, lecz katastrofalnych w skutkach zdarzeń można uznać niewielką liczbę skutecznych systemów monitorowania poziomu bezpieczeństwa czynnego oraz odpowiednich narzędzi modelowania, które oparte są na wykorzystaniu danych rejestrowanych w czasie rzeczywistym. Jednocześnie brak jest odpowiednich kryteriów a także parametrów oceny i wykrywania nietypowych zdarzeń mogących prowadzić do wypadku. W artykule posłużono się zaproponowanym przez autora prostym modelem oceny, który przy pomocy odpowiednio sformułowanych wskaźników bezpieczeństwa umożliwia bieżące szacowanie poziomu ryzyka związanego z właściwościami jezdnymi pojazdu kolejowego oraz jego prędkością i położeniem geograficznym. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo czynne, ryzyko, transport kolejowy. Dynamic risk assessment of railway vehicle derailment Abstract Despite the use of a number of preventive measures and improving existing safety systems, there are still new catastrophic accidents occurring as a result of a collision or derailment. As one of the causes of such relatively rare but catastrophic events can be considered a small number of effective systems for monitoring the levels of active safety and appropriate modeling tools, which are based on the use of data recorded in real time. At the same time there is a lack of appropriate criteria and assessment parameters for detection of unusual events that could lead to an accident. In this paper, a simple assessment model proposed by the author was used, which on the basis of appropriately formulated safety indicators allows to estimate the level of risk related to the railway vehicle running characteristics as well as its speed and geographical location. Key words: active safety, risk, railway transport. Artykuł powstał w związku z realizacją projektu MONIT ( MONITOROWANIE TECHNICZNEGO STANU KONSTRUKCJI I OCENA JEJ ŻYWOTNOŚCI ), Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka Oś priorytetowa 1: Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Działanie 1.1: Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na wiedzy. LITERATURA [1] Bogacz R., Chudzikiewicz A., Czechyra B., Droździel J., Firlik B., Kurkowska M., Sowiński B., Uhl T.: Monitorowanie stanu układu dynamicznego pojazd szynowy tor, Oficyna Wydawnicza PW, ISBN , 2012 [2] Hale A.: Conditions of occurrence of major and minor accidents. Urban myths, deviations and accident scenarios, Tijdschrift voor toegepaste Arbowetenschap 15, nr 3, [3] Kalantarnia M., Khan F., Hawboldt K., Dynamic risk assessment using failure assessment and Bayesian theory, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 22, pp , [4] Kramarek W., Szulewski P., Systemy bezpieczeństwa współczesnych maszyn i urządzeń technologicznych, Inżynieria Maszyn, ISSN X, pp , R. 17, z. 2, [5] Opala M., Analysis of experimental data in the context of safety against derailment of a railway vehicle, using energy method, Key Engineering Materials Vol. 518, pp , ISSN , Trans Tech Publications Ltd, [6] Opala M., Energy analysis of safety against derailment in the railway vehicle s condition monitoring system, IAVSD, Proceedings of 22nd International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks, Manchester, ISBN , [7] Opala M., Monitoring pozycjonowania pojazdu szynowego typu EZT, XX Międzynarodowa Konferencja Naukowa ICRV Pojazdy Szynowe, [8] Opala M., Algorytmy oprogramowania systemu monitorowania pojazdu kolejowego, Czasopismo Logistyka, lipiec-sierpień, ISSN , 4/2011. [9] Phimister J.R., Bier V.M., Kunreuther H.C., Accident precursor analysis and management, Reducing Technological Risk Through Diligence, The National Academies Press, Washington, D.C., [10] EN : Railway Applications - The Specification and Demonstration of Reliability, Availability, maintainability and Safety (RAMS), [11] EN : Railway applications. The specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS). Guide to the application of EN for safety, Logistyka 4/