Drzewa logiczne jako narzędzie wspomagające operatorów systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę

Transkrypt

1 BORYCZKO Krzysztof Drzewa logiczne jako narzędzie wspomagające operatorów systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę WSTĘP Wraz z rozwojem myśli technicznej, istotnego znaczenia nabrały zagadnienia i rozważania naukowe, mające na celu opracowanie procedur analitycznych oraz eksploatacyjnych, w których integralną częścią jest zwiększenie skuteczności podejmowania decyzji przez operatorów systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę (SZZW). Celem Dyrektywy Rady 98/83/WE z dnia 3 listopada 998 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz.U. UE L z dnia 5 grudnia 998 r.) [25]jest zapewnienie bezpiecznej wody do spożycia. Od 2005 roku w Parlamencie Europejskim trwały rozmowy dotyczące rewizji Dyrektywy 98/83/WE, a ich celem miało być stworzenie Planów Bezpieczeństwa Wody ang. Water Safety Plan (WSP) [8], których zadaniem byłoby połączenie nadzoru wszystkich podmiotów zaangażowanych w ochronę ujęć, pobieranie, uzdatnianie i przesyłanie wody do odbiorców. Pod naciskiem grup preferujących sprawy ekonomiczne Komisja ds. Jakości Wody do Spożycia, postanowiła odejść od dalszych prac legislacyjnych i zdecydowała się na zintensyfikowanie działań wdrożeniowych w celu zagwarantowania odpowiedniego poziomu jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, pochodzącej z małych źródeł zaopatrzenia. Komisja zaleca skoordynowanie działań wdrożeniowych wszystkich zainteresowanych stron nadzorujących jakość wody, w celu maksymalnej ochrony zdrowia każdego konsumenta z jednoczesną minimalizacją zagrożeń zdrowotnych. W roku 200 Komisja zaproponowała poszerzenie zakresu WSP w postaci Planów Bezpieczeństwa Cyklu Wodnego ang. Water Cycle Safety Plan (WCSP) []. Integralną rolę w WCSP ma pełnić operator SZZW. Niezawodność operatora SZZW była tematem wielu publikacji [9, 0, 4, 5, 24]. Zwrócono uwagę na integralną rolę operatora SZZW [23], a w pracy [3] analizowano możliwość poprawy popełnionego błędu. Reakcje ludzkie w sytuacjach kryzysowych były również tematem badań w pracy [7]. Obecnie w badaniach światowych analiza metoda drzew logicznych jest używana w różnych dziedzinach nauki, np. do analizy systemu kontroli położenia wysokościowego satelitów [3], do biomonitoringu [20], do różnego rodzaju analiz ryzyka [5, 6] Za najważniejsze zagraniczne pozycje wydawnicze opisujące metody drzew logicznych należy uznać publikacje J.D. Andrews a i T.R. Mossa [2], N.H. Robertsa z zespołem [7] czy też W.G. Schneeweiss a [9]. Na potrzeby NASA przygotowano podręcznik zastosowania metody drzewa niezdatności [2]. Przykłady zastosowania metod drzew logicznych w analizie niezawodności SZZW lub jej poszczególnych elementów zaprezentowano w monografiach i skryptach [8, 9,, 2, 5, 6, 22]. Celem pracy jest przedstawienie metod drzew zdarzeń i niezdatności, ze szczególnym uwzględnieniem metody drzew hybrydowych jak narzędzia wspomagającego operatorów systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę. OPERATOR SYSTEMU ZBIOROWEGO ZAOPATRZENIA W WODĘ Niezawodność pracy operatora oznacza zdolność do wykonywania powierzonych zadań z minimalnym ryzykiem popełnienia błędu w określonych warunkach, w określonym przedziale czasowym lub w dowolnej chwili. Pomiar niezawodności pracy operatora opiera się na danych Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Zaopatrzenia w Wodę i Odprowadzania Ścieków; Rzeszów; al. Powstańców Warszawy 6. Tel: , kb@prz.edu.pl 2237

2 pochodzących z obserwacji i zapisów wszelkiego rodzaju błędów, uchybień proceduralnych i usterek w podejmowanych decyzjach [8]. Wyróżnia się następujące typy zachowań operatora [5]: wprawa odruchowe wykonywanie czynności nabytych w wyniku doświadczeń praktycznych, reguła wykonywanie mniej oczywistych działań według określonych reguł, wiedza działanie w sytuacjach, w których wzorce praktyczne lub reguły postępowania nie mają bezpośredniego zastosowania, istotne staje się rozpoznanie odmiennej sytuacji, diagnozowanie stanu oraz podejmowanie decyzji. W pracy operatora można wyróżnić następujące stany [5]: stan optymalny operator przy poprawnej pracy systemu wykonuje czynności nadzoru bieżących sygnałów oraz dokonuje rutynowych korekt parametrów jego funkcjonowania. Procesy myślowe operatora mają charakter algorytmiczny (szkolenia i praktyka eksploatacyjna), stan minimalnych obciążeń występuje w procesie sterowania wysoce zautomatyzowanymi systemami z wykorzystaniem technik komputerowych, stan maksymalnych obciążeń praca wymaga twórczego myślenia, w poczuciu odpowiedzialności za błędy i odroczenia reakcji. Wymagane są specjalistyczne szkolenia oraz znajomość scenariuszy sytuacji nadzwyczajnych. Zagrożenia są wynikiem gwałtownej zmiany, w wyniku której ma się do czynienia z utratą lub uszczerbkiem wartości technicznej. Deficyt czasu, deficyt lub nadmiar informacji mogą być w odczuciu operatora przyczynami wystąpienia sytuacji awaryjnej: deficyt czasu podejmowanie nieistotnych decyzji, dezautomatyzacja czynności operatorskich, deficyt informacji operator nie jest w pełni przygotowany do pracy, brakuje mu wiedzy na temat systemu, nadmiar informacji do operatora dociera za dużo sygnałów, nie potrafi on wybrać informacji najistotniejszych. Wyróżnia się następujące rodzaje błędów: błąd aktywny, o skutkach natychmiastowych, powodujący bezpośrednie wystąpienie zdarzenia niepożądanego, niezachowanie procedur bezpieczeństwa: przecenienie możliwości, niedocenienie zagrożenia, mylna interpretacja: pominięcie faktów, brak koncentracji, brak zrozumienia, błąd o skutkach odroczonych, zazwyczaj o charakterze planistycznym. 2 DRZEWA NIEZDATNOŚCI Analiza za pomocą drzew niezdatności (z ang. Fault Tree Analysis FTA) zajmuje się identyfikacją warunków i czynników, które powodują, mogą powodować lub się przyczynić do wystąpienia danego zdarzenia szczytowego. Drzewa uszkodzeń (FT) to model opisujący związki pomiędzy uszkodzeniami elementarnych części systemu, błędami operatorów a zajściem zdarzenia związanego z niewypełnieniem przez system odpowiedniej funkcji. Terminy używane w FTA według obowiązującej normy [5] są następujące: wyjście rezultat akcji bądź innego wejścia; konsekwencja przyczyny. Wyjściem może być zdarzenie lub stan. Wyjście z kombinacji właściwych wejściowych zdarzeń reprezentowane przez bramkę może być zarówno zdarzeniem pośrednim, jak i szczytowym. Wyjście może być również wejściem do zdarzenia pośredniego lub szczytowego, zdarzenie szczytowe wynik kombinacji wszystkich zdarzeń wejściowych. Jest to zdarzenie, pod którym buduje się FT. Zdarzenie szczytowe często utożsamia się ze zdarzeniem finalnym lub szczytowym wyjściem. Zdarzenie szczytowe jest definiowane na początku analizy. Ma najwyższą pozycję w hierarchii zdarzeń, 2238

3 bramka symbol reprezentujący powiązanie pomiędzy zdarzeniem wyjściowym a odpowiadającymi wejściami. Dany symbol bramki określa wymagany typ relacji pomiędzy zdarzeniami wejściowymi, które spowodują wystąpienie zdarzenia wyjściowego, przekrój grupa zdarzeń, która (jeśli wszystkie zdarzenia wystąpią) spowoduje pojawienie się zdarzenia szczytowego, przekrój minimalny minimalny lub najmniejszy zbiór zdarzeń, które muszą wystąpić by, spowodować zdarzenie szczytowe. Niewystąpienie choćby jednego ze zdarzeń w zbiorze spowoduje brak wystąpienia zdarzenia szczytowego, zdarzenie elementarne zdarzenie albo stan, które nie może być dalej rozwinięte w dół w konstrukcji FT. Sporządzając FT, wykorzystuje się tzw. funktory (bramki logiczne) określające między innymi iloczyn logiczny zdarzeń i sumę logiczną zdarzeń [4]. Symbole wykorzystywane w metodzie FTA przedstawiono w tabeli. Tab.. Symbole używane w metodzie FTA Symbol(e) Nazwa Opis Zdarzenie elementarne Zdarzenie najniższego poziomu dla którego (ang. basic event) znane jest prawdopodobieństwo wystąpienia lub informacja o niezawodności. Bramka LUB (ang. OR) Bramka I (ang. AND) Zdarzenie wyjściowe występuje, jeśli wystąpi jakiekolwiek ze zdarzeń wejściowych. Zdarzenie wyjściowe występuje, jeśli wystąpią wszystkie ze zdarzeń wejściowych. Konstrukcje FT rozpoczyna się zawsze od zdarzenia szczytowego. Następnie należy wyszukać wszystkie zdarzenia pośrednie, konieczne i wystarczające do wystąpienia zdarzenia szczytowego. Kolejne poziomy drzewa łączą się za pomocą bramek logicznych (rysunek ). Przy tworzeniu niższych poziomów FT należy odpowiadać na pytanie: jakie są przyczyny wystąpienia tego zdarzenia?. Rys.. Konstrukcja FT zdarzenia pośrednie oraz elementarne (konieczne i wystarczające do wystąpienia zdarzenia szczytowego) Drzewa uszkodzeń są źródłem informacji o wszelkich kombinacjach zdarzeń, jakie muszą zajść, by wstąpiło zdarzenie szczytowe. Zbiór takich zdarzeń nazywa się przekrojem. Przekrój określa się minimalnym, jeśli nie da się go bardziej zredukować. Identyfikacja minimalnych przekrojów może się odbywać bez użycia algorytmów dla nieskomplikowanych FT. Prostą metodę odnajdywania przekrojów minimalnych przedstawiono na przykładzie. Analizowane FT ilustruje rysunku

4 Rys. 2. Przykładowe FT prezentująca procedurę identyfikacji minimalnych przekrojów Metoda polega na sukcesywnym zastępowaniu każdej z bramek przez zdarzenia wejściowe (zdarzenia elementarne, nowe bramki) do momentu, w którym przejdzie się przez całe FT i pozostaną tylko zdarzenia elementarne. Dalej przedstawiono koncepcję metody odnajdywania minimalnych przekrojów dla FT z rysunku 2. W celu jasności postępowania poszczególnym bramkom logicznym przyporządkowano nazwy B0, B, B2, B3, B4, B5. W przykładzie z rysunku 3 tok postępowania wygląda następująco: B0 B B2 B3 B2 4,B4 B3 2,3 B ,3 4,5 4,6 Rys. 3. Tok postępowania przy poszukiwaniu przekrojów minimalnych B 2,3 B2 B3 B3 7 B5 2,3 4,5 4,6 B5 7 8,9 2,3 4,5 4,6 Otrzymano 6 przekrojów: 7 8,9 2,3 4,5 4,6 Dwa z przekrojów są jednoelementowe, pozostałe cztery dwuelementowe. 2240

5 3 DRZEWA ZDARZEŃ Metoda drzewa zdarzeń jest używana do analizy konsekwencji i barier ochronnych systemu. Jest metodą ilościową i jakościową. Przedstawia bariery ochronne systemu i możliwe ścieżki zadziałania lub niezadziałania elementów ochrony systemu. Metoda drzewa zdarzeń jest także używana do analizy niezawodności człowieka. Drzewo zdarzeń przedstawia graficznie chronologiczny rozwój awarii. Diagram ET konstruuje się od strony lewej do prawej, rozpoczynając od zdarzenia inicjującego. Scenariusze buduje się, rozpatrując to, czy dana bariera ochronna zadziałała bądź nie, rozbudowując drzewo w prawą stronę. W każdym węźle gałąź drzewa rozgałęzia się na dwie górna gałąź prawda (tak); dolna gałąź fałsz (nie). Rozgałęzienie to identyfikuje się z zadziałaniem/niezadziałaniem bariery. Drzewo rysuje się do rozważenia zadziałania wszystkich barier (rysunek 4). Przy takim założeniu w efekcie końcowym otrzymuje się skutki zdarzenia inicjującego uszeregowane od konsekwencji najmniejszych do największych. Rys. 4. Konstrukcja drzewa zdarzeń 4 METODA HYBRYDOWA Z ZASTOSOWANIEM DRZEW USZKODZEŃ I DRZEW ZDARZEŃ Scenariusz awaryjny może być analizowany równocześnie za pomocą metody ETA, jak i FTA. Po wystąpieniu zdarzenia inicjującego uwzględnia się kolejne bariery ochronne. Prawdopodobieństwo zadziałania tych barier określa się FTA. W ten sposób powstaje hybryda połączone dwie metody analizy niezawodności z wykorzystaniem metody drzew logicznych. Metodę tę dla SZZW zaprezentowano w pracach [5]. Przykład drzewa hybrydowego przedstawiono na rysunku

6 Rys. 5. Hybrydowa metoda analizy niezawodności z wykorzystaniem ET i FT Zaprezentowany przykład modelu hybrydowego (rysunek 5) składa się z dwóch obszarów: modelowania zagrożeń metodą ETA i modelowania zagrożeń metodą FTA. W pierwszym obszarze analizowano zdarzenie inicjujące, którego skutki mogą być zneutralizowane bądź zminimalizowane za pomocą barier ochronnych. 5 PRZYKŁAD APLIKACYJNY Źródłem wody są dwa ujęcia wód podziemnych, które są zlokalizowane na terenie gminy i miasta Leżajsk. Pobór wody odbywa się przez system studni wierconych: ujęcie Na Stojadle ;składa się z dwóch studni głębinowych wierconych zlokalizowanych w miejscowości Stare Miasto: S-I (Q = 6,0 m 3 /h), S-II (Q = 53,3 m 3 /h). ujęcie Lipy ; składa się z dwóch studni zlokalizowanych przy ul. Lipy w Leżajsku: S-(Q = 20,6 m 3 /h rezerwowa),s-2 (Q = 23,0 m 3 /h podstawowa). W rysunku 6przedstawiono drzewo hybrydowe dla SZZW dla zdarzenia inicjującego w postaci pojawiania się skażenia wody w źródle wody podziemnej dla Leżajska. Wyselekcjonowano barier ochronnych: wykrycie skażenia przez monitoring jakości wody podziemnej Na Stojadle, niepoprawna interpretacja danych o jakości wody podziemnej, brak zamknięcia ujęcia wody Na Stojadle, brak uruchomienia studni rezerwowej na ujęciu Lipy, brak zamknięcia ujęcia wody Lipy, brak możliwości wykorzystania wody ze zbiornika, wykrycie skażenia przez monitoring jakości wody w PsDyW, niepoprawna interpretacja danych o jakości wody w PsDyW, brak zamknięcia ujęć wody, brak poinformowania społeczeństwa o złej jakości wody do spożycia, nieuruchomienie przez przedsiębiorstwo wodociągowe alternatywnego sposobu dystrybucji wody do spożycia. 2242

7 Rys. 6. Drzewo hybrydowe dla SZZW Leżajska (część ETA) Na rysunku 7 przedstawiono rozwinięcie drzewa hybrydowego z rysunku 6 w części modelowania metodą FTA. 2243

8 Rys. 7. Drzewo hybrydowe dla SZZW Leżajska (część FTA) W analizowanym przykładzie otrzymano 46 możliwych scenariuszy rozwojowych sytuacji w skutek wystąpienia zdarzenia inicjującego. Dla barier ochronnych, przy założonym stopniu dokładności wyselekcjonowano 20 zdarzeń elementarnych, powodujących niezadziałanie barier ochronnych. PODSUMOWANIE Opracowano metodologię stosowania hybrydowych drzew logicznych jako narzędzie wspomagające operatorów SZZW. Połączenie metod FTA i ETA następuje na etapie określenia przyczyn (metodą FTA) niezadziałania barier ochronnych SZZW (z metody ETA). Opracowany przykład aplikacyjny drzewa hybrydowych dla SZZW Leżajska pozwala operatorom na szczegółową analizę możliwych scenariuszy. W przypadku wystąpienia danego zdarzenia inicjującego operator SZZW analizując drzewo hybrydowe może w szybki sposób określić przyczyny niezadziałania barier ochronnych i co ważniejsze skupić się na kolejnych barierach, który zadziałania może ograniczyć negatywne skutki. Hybrydowe drzewa logiczne mogą stanowić fundament tworzenia nowoczesnych modeli zarządzania pracą operatorów SZZW. Metoda drzew hybrydowych jako jedyna 2244

9 pozwala analizować operatorowi cały SZZW od ujęcia aż do odbiorcy, co jest kluczowe w perspektywie ewentualnej implikacji WCSP. Streszczenie Drzewa logiczne w postaci drzew niezdatności i zdarzeń są narzędziem, które mogą być wprost zastosowane w analizie możliwych scenariuszy awaryjnych. Zaproponowano połączenie metody drzew niezdatności i zdarzeń w postaci drzew hybrydowych w celu wspomagania operatora systemu zbiorowego zaopatrzenia w wodę (SZZW). Opracowany przykład aplikacyjny drzewa hybrydowego dla SZZW Leżajska pozwala operatorowi na szczegółową analizę możliwych scenariuszy. W przypadku wystąpienia danego zdarzenia inicjującego operator SZZW analizując drzewo hybrydowe może w szybki sposób określić przyczyny niezadziałania barier ochronnych i co ważniejsze skupić się na kolejnych barierach, który zadziałanie może ograniczyć negatywne skutki. Hybrydowe drzewa logiczne mogą stanowić fundament tworzenia nowoczesnych modeli zarządzania bezpieczeństwem SZZW, co jest kluczowe w perspektywie ewentualnej implikacji Planów Bezpieczeństwa Cyklu Wodnego (ang. Water Cycle Safety Plan) proponowanych przez Światową Organizację Zdrowia. Logical trees as a tool to assist public water supply system operators Abstract Logical trees in the form of fault and event trees are a tool that can be directly applied in the analysis of possible undesirable scenarios. Fault and event tree method in the form of hybrid trees in order to assist the system collective water supply system operator (CWSS) was proposed. Application case of a hybrid tree SZZW Leżajsk allows the operator to analyze possible scenarios. In the case of the initiating event CWSS operator hybrid tree can be analyzed to quickly determine the cause of protective barriers failure and more importantly to focus on the following barriers that may reduce negative effects. Hybrid logical tree can be the foundation to create modern models of CWSS safety management, which is crucial in view of the possible implications of Cycle Water Safety Plans proposed by World Health Organization. BIBLIOGRAFIA. Almeida M.C., Vieira P., Smeets P., Water cycle safety plan framework proposal,bruksela Andrews J. D., Moss T. R., Reliability and Risk Assessment. Longman Scientific & Technical, London Barua A., Sinha P., Khorasani K., On the Fault Diagnosis and Failure Analysis in the Satellite Attitude Control Subsystem, Eight International Conference on Space Operations, Montreal, Canada, 7-2 May Dyrekcja Prac Konsultacyjnych Dział 3 Sieci I Zasada Pomocniczości, Sprawozdanie końcowe z konsultacji Komitetu Regionów na temat zmienionej dyrektywy w sprawie wody pitnej (dostęp grudzień 203). 5. Ferdous R., Khan F., Veitch B., Amyotte P. R., Methodology for computer aided fuzzy fault tree analysis. Process Safety and Environmental Protection,Elsevier, 87/2009,s Khan F., Ferdous R., Sadiq R., Amyotte P., and Veitch B., Fault and Event Tree Analyses for Process Systems Risk Analysis: Uncertainty Handling Formulations. Risk Analysis 2009, nr Nowak W., Nowak E., Podstawy logistyki w sytuacjach kryzysowych z elementami zarządzania logistycznego. SWSZPIZ Łódź, Warszawa - Łódź Rak J., Istota ryzyka w funkcjonowaniu systemu zaopatrzenia w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Rak J., Podstawy bezpieczeństwa systemów zaopatrzenia w wodę. Komitet Inżynierii Środowiska PAN, Lublin Rak J., Model oceny ryzyka w funkcjonowaniu SZW. Konferencja: VII Ogólnopolska Konferencja Naukowa nt. "Kompleksowe i szczegółowe problemy inżynierii środowiska",, Politechnika Koszalińka, Koszalin - Ustronie Morskie

10 . Rak J., Wybrane zagadnienia niezawodności i bezpieczeństwa w zaopatrzeniu w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Rak J., Bezpieczeństwo systemów zaopatrzenia w wodę. Badania systemowe. Inżynieria środowiska, Instytut Badań Systemowych PAN, Warszawa Rak J., Boryczko K., Sposób oceny niezawodności operatora SZW metodą drzewa zdarzeń z możliwością poprawy popełnionego błędu. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2009, nr Rak J., Kwietniewski M., Kowalski D., Tchórzewska-Cieślak B., Zimoch I., Bajer J., Iwanejko R., Miszta-Kruk K., Studziński A., Boryczko K., Pietrcuha-Urbanik K., Piegdoń I., Metody oceny niezawodności i bezpieczeństwa dostawy wody do odbiorców. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Rak J., Tchórzewska-Cieślak B., Metody analizy i oceny ryzyka w systemie zaopatrzenia w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Rak J., Tchórzewska-Cieślak B., Czynniki ryzyka w eksploatacji systemów zaopatrzenia w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej,Rzeszów Roberts N. H., Vesely W. E., Haasl D. F., Goldberg F. F., Fault Tree Handbook. States Nuclear Regulatory Commission United, Waszyngton Rosen L., Lindhe A., Hokstad P., Sklet S., Rostum J., Pettersson T. J. R., Generic Framework for Integrated Risk Management in Water Safety Plans. 6th Nordic Drinking Water Conference, Oslo Schneeweiss W. G., The Fault Tree Method. LiLoLe - Verlag GmbH (Publ. Co. Ltd), Hagen Siontorou C. G., Batzias F. A., Error identification/propagation/remediation in biomonitoring surveys-a knowledge-based approach towards standardization via fault tree analysis, Ecological Indicators 20, nr. 2. Stamatelatos M., Vesely W., Dugan J., Fragola J., Minarick J., Railsback J., Fault Tree Handbook with Aerospace Applications, Version.,Waszyngotn Tchórzewska-Cieślak B., Niezawodność i bezpieczeństwo systemów komunalnych na przykładzie systemu zaopatrzenia w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Tchórzewska-Cieślak B., Rak J., Niezawodność operatora systemu wodociągowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska 200, nr Tchórzewska-Cieślak B., Rak J., Piegdoń I., Risk analysis ofwater supply interruptions in collective water supply systems. 6th Summer Safety& Reliability Seminars - SSARS 202, Gdańsk Sopot Dyrektywa 98/83/EC z dnia 3 listopada 998 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. 2246