Model do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w warunkach operacyjnych

Transkrypt

1 SACHARKO Agnieszka 1 GERIGK Mirosław Kazimierz 2 Model do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w warunkach operacyjnych WSTĘP Transport morski związany jest z występowaniem dużej liczby zdarzeń i ich sekwencji. Wystąpienie niektórych zdarzeń lub ich sekwencji może z kolei prowadzić do wystąpienia zdarzeń, które w analizie ryzyka nazywa się zdarzeniami głównymi lub zagrożeniami. Wystąpienie zagrożenia stanowi wypadek. Sekwencja zdarzeń po wystąpieniu danego zagrożenia prowadzi do konsekwencji, które w skrajnych sytuacjach mogą mieć wymiar katastrofy. W poniższym artykule przedstawiono wybrane zagadnienia związane z opracowaniem modelu do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w stanie nieuszkodzonym w warunkach operacyjnych. Całość prowadzonych przez autorów badań dotyczy: 1. Opracowania metody do oceny bezpieczeństwa statku w warunkach operacyjnych. 2. Identyfikacji zdarzeń zagrażających bezpośrednio bezpieczeństwu statku (zagrożenia). 3. Identyfikacji sekwencji zdarzeń (scenariusze wypadku). 4. Opracowania modelu do oceny zachowania się statku (dla wybranych scenariuszy wypadku). 5. Opracowania modelu do oceny ryzyka wypadku (dla wybranych scenariuszy wypadku). 6. Opracowanie modelu (systemu) do zarządzania bezpieczeństwem statku opartego na zarządzaniu ryzykiem. W czasie badań przyjęto, że w warunkach operacyjnych statek znajduje się w stanie nieuszkodzonym. Zidentyfikowano następujące zdarzenia, które mogą bezpośrednio zagrozić bezpieczeństwu statku: 1. Kołysania parametryczne boczne (kątowe) statku - ang. parametric rolling. 2. Kołysania synchroniczne boczne (kątowe) statku - ang. synchronous rolling. 3. Utrata stateczności na fali nadążającej - ang. broaching to. 4. Utrata stateczności na grzbiecie fali (grupy fal) - ang. surf-riding. 5. Utrata stateczności na skutek utraty zdolności napędowych - ang. dead-ship condition. 6. Czysta utrata stateczności na skutek oddziaływań wewnętrznych i lub zewnętrznych - ang. pure loss of stability. Informacje zawarte w artykule stanowią elementy szerzej zaplanowanych badań, które dotyczą między innymi prac nad rozprawą doktorską. 1. BEZPIECZEŃSTWO W TRANSPORCIE MORSKIM Jednym ze sposobów zwiększenia bezpieczeństwa w transporcie morskim jest integracja i rozwój morskich inteligentnych systemów transportowych MITS (ang. Maritime Intelligent Transportation System) i ograniczenie wpływu czynnika ludzkiego. Bezpieczeństwo jest pojęciem określającym stan, w którym brak jest zagrożenia lub ryzyka, którego poziom jest nieakceptowany. Inna definicja mogłaby być związana na przykład z brakiem strat finansowych. Poziom i rodzaj ryzyka w transporcie morskim zmienia się wraz ze zmianą warunków operacyjnych w jakich operuje statek. Ryzyka w transporcie nie można wyeliminować, można jedynie je zmniejszyć. W celu ograniczania 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny, Katedra Eksploatacji Statków, Gdynia, ul. Jana Pawła II 3. Tel , Fax: , gusiawaw@interia.pl 2 Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa, Katedra Teorii i Projektowania Okretów, Gdańsk, ul. G.Narutowicza 11/12,. Tel , Fax: , mger@pg.gda.pl 5561

2 poziomu ryzyka wyznacza się procedury, opracowuje nowe formy legislacyjne i systemy wspomagające bezpieczeństwo na morzu. W ujęciu obszarowym system bezpieczeństwa morskiego ustanawiany jest przez odpowiednie organizacje i instytucje [1, 2, 4]: 1. Poziom międzynarodowy (IMO). 2. Poziom europejski (Komisja Europejska, Europejska Agencja Bezpieczeństwa Morskiego - EMSA). 3. Poziom bałtycki (Komisja Helsińska HELCOM). 4. Poziom krajowy (odpowiednie ministerstwo). Obowiązującym aktem prawnym w przypadku żeglugi morskiej jest Międzynarodowy Kodeks Zarządzania Bezpieczeństwem Morskim ISM (ang. International Safety Management Code). Jest on częścią międzynarodowej konwencji o bezpieczeństwie życia na morzu SOLAS (ang. International Convention for the Safety of Life at Sea) tworząc razem płaszczyznę zarządzania bezpieczeństwem dla statków. Procedury wymagane przez kodeks ISM powinny być udokumentowane i przechowywane w tak zwanym Podręczniku Zarządzania Bezpieczeństwem na Statku, znajdującym się na mostku statku. 2. ZARZĄDZANIE RYZYKIEM W TRANSPORCIE MORSKIM Każda procedura zarządzania ryzykiem w transporcie morskim oparta jest na metodzie mającej na celu zwiększenie bezpieczeństwa poprzez ochronę życia i zdrowia ludzi, mienia oraz środowiska naturalnego. Są to elementy uczestniczące w procesie transportowym. Zalecana przez Międzynarodową Organizację Morską IMO (ang. International Maritime Organization) sformalizowana procedura zarządzania bezpieczeństwem FSA (ang. Formal Safety Assessment) jest metodologią opartą na analizie ryzyka. W tej metodzie środki zapewniające bezpieczeństwo są adekwatne do istniejących zagrożeń, unika się stosowania prewencyjnych środków tam gdzie nie ma takiej potrzeby. Metoda FSA stanowi wymierny i systematyczny proces oceny ryzyka występującego w żegludze morskiej, który oparty jest na szacowaniu kosztów i korzyści oraz możliwości redukcji ryzyka. FSA może być również stosowana jako narzędzie wspierające proces podejmowania decyzji dotyczących bezpieczeństwa transportu morskiego, w tym statków. Do zasadniczych elementów metody FSA zalicza się [1]: 1. Identyfikację zagrożeń (ang. Hazard Identification) Co może pójść nie tak? (lista wszystkich scenariuszy wypadków oraz ich potencjalnych przyczyn i skutków). 2. Analizę ryzyka (ang. Risk Analysis) Jak bardzo może pójść coś nie tak? (ocena czynników ryzyka). 3. Opcje (miary) kontroli ryzyka (ang. Risk Control Options) Czy sytuacja może być poprawiona? (Opracowanie środków regulujących w celu kontroli i zmniejszenia zidentyfikowanych zagrożeń). 4. Ocenę kosztów i korzyści (ang. Costs and Benefits) - Ile by to kosztowało i na ile by pomogło? (określenie opłacalności przy zastosowaniu każdej z opcji (miar) kontroli ryzyka). 5. Rekomendację zaleceń przy podejmowaniu decyzji dotyczących bezpieczeństwa (ang. Making Decisions on Safety) - Jakie działania należy podjąć? (informacje o zagrożeniach, związanych z nimi ryzyk i efektywności kosztowej alternatywnych opcji (miar) kontroli ryzyka). Ogólny diagram metody FSA przedstawiono na Rys IDENTYFIKACJA ZAGROŻEŃ Celem identyfikacji zagrożeń jest opracowanie pełnej listy wszystkich zdarzeń mogących wystąpić na statku, czyli modelu sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku. W celu stworzenia takiego modelu istotne jest sprecyzowanie obszaru jakiego dotyczy model. Istnieje wiele różnych metod umożliwiających modelowanie sekwencji zdarzeń w transporcie morskim. Z uwagi na estymację prawdopodobieństwa i skutków wypadku dzielimy je na metody [2, 4]: 1. Jakościowe (ang. RA - Qualitative Risk Assessment). 2. Ilościowe (ang. QRA Quantitative Risk Assessment). 5562

3 Obie metody bazują na technikach metodologii indukcyjnej bądź dedukcyjnej. Przy użyciu metodologii indukcyjnej poszukuje się następujących po sobie zdarzeń. W konsekwencji przypisuje się im zdarzenia końcowe. Rys. 1. Diagram procesu FSA W metodologii dedukcyjnej dla wydarzenia końcowego poszukuje się zdarzeń, które je zainicjowały. Do podstawowych metod identyfikacji zagrożeń można zaliczyć [2, 4]: 1. PHA (ang. Preliminary Hazard Analysis) wstępna identyfikacja zagrożeń. Metoda oparta jest na danych statystycznych wypadków, w formie macierzy ryzyka. 2. FTA (Fault Tree Analysis) drzewo uszkodzeń, metoda ilościowa, dedukcyjna. Określa prawdopodobieństwo występowania zdarzeń od ogółu do szczegółu. 3. ETA (Event Tree Analysis) drzewo zdarzeń, metoda ilościowa, indukcyjna. Model rozumowania od szczegółu do ogółu. 4. FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) tryb awarii, analiza skutków i krytyczności, metoda indukcyjna. Celem analizy krytyczności jest szeregowanie potencjalnych rodzajów uszkodzeń zidentyfikowanych na podstawie poziomów krytyczności i ich prawdopodobieństwa wystąpienia. 5. HAZOP (Hazard and Operability Analysis) analiza zagrożeń i zdolności operacyjnych. Metoda ta polega na systematycznym przeglądzie zagrożeń pod kątem mogących się pojawić skutków. 4. MODELOWANIE SEKWENCJI ZDARZEŃ ZAGRAŻAJĄCYCH BEZPIECZEŃSTWU STATKU Model sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w warunkach operacyjnych powinien ściśle precyzować obszary jego użyteczności. W przypadku statku traktujemy go jako jeden system, a zatem będą zawarte w nim wszystkie zagrożenia inicjujące niebezpieczeństwo na statku. Ze względu na międzynarodowy charakter żeglugi handlowej model musi bazować na wszystkich stanach procesu eksploatacyjnego statku, które schematycznie przedstawiono na Rys. 2. Bezpieczeństwo eksploatacji statku w każdym z wymienionych na Rys. 2 stanów zależy od czynników, które mogą inicjować zagrożenie, jeżeli ich wartość wykroczy poza ustalone kryterium akceptowalności ryzyka. Na Rys. 3 przedstawiono obszary oddziaływania na proces eksploatacji statku. 5563

4 Rys. 2. Stany eksploatacji statku handlowego Rys. 3. Obszary oddziaływania na proces eksploatacji statku 5. PROPOZYCJA SYSTEMU DO SZYBKIEGO MODELOWANIA SEKWENCJI ZDARZEŃ ZAGRAŻAJĄCYCH BEZPIECZEŃSTWU STATKU W WARUNKACH OPERACYJNYCH System bezpieczeństwa statku obejmuje następujące elementy [1-6]: 5564

5 1. Podsystem techniczny statek i inne podsystemy techniczne. 2. Podsystem środowisko naturalne. 3. Podsystem związany z organizacją i zarządzaniem (właściwości podsystemu statek, czynnik legislacyjny, czynnik organizacyjny, zarządzanie). 4. Podsystem czynnik ludzki. Istnieje różnica pomiędzy systemem bezpieczeństwa a systemem zarządzania bezpieczeństwem statku. System bezpieczeństwa obejmuje elementy wymienione powyżej i związki występujące między nimi. System zarządzania bezpieczeństwem statku obejmuje elementy i związki występujące między nimi, które w czasie eksploatacji (na morzu i w porcie) umożliwiają [1]: 1. Uwzględnienie wpływu na bezpieczeństwo statku elementów wymienionych powyżej. 2. Ocenę ryzyka wypadku. 3. Zarządzanie ryzykiem. Kompletny system zarządzania bezpieczeństwem statku w morzu i w porcie, który umożliwiałby także zarządzanie bezpieczeństwem statku w stanie uszkodzonym, powinien zawierać następujące elementy [1]: 1. System statek (charakterystyki projektowe, charakterystyki eksploatacyjne, systemy techniczne, wewnętrzne elementy systemów nawigacyjnych i kontroli ruchu (GPS, GDPS, VTS). 2. System środowisko morskie (wiatr, falowanie, prąd). 3. System legislacyjny (konwencje, rekomendacje, wytyczne, zalecenia, przepisy instytucji klasyfikacyjnych, przepisy lokalne, standardy). 4. System zarządzania statkiem w morzu i w porcie, procedury operacyjne: zarządzanie na statku, zarządzanie w firmie. 5. System zarządzania bezpieczeństwem statku w morzu i w porcie SMS (ang. Safety Management System), procedury operacyjne: zarządzanie bezpieczeństwem na statku, zarządzanie bezpieczeństwem w firmie (kultura bezpieczeństwa). 6. System czynnik ludzki. 7. Zintegrowany system zarządzania ISM (ang. Integrated System Management). 8. System kontrolny umożliwiający opis uszkodzenia (położenie uszkodzenia, wielkość uszkodzenia). 9. System alarmowy. 10. System ewakuacyjny. 11. System ratowniczy. Należy dodać, że cztery ostatnie elementy systemu zarządzania bezpieczeństwem statku w morzu i w porcie, powinny być uaktywnione w momencie, gdy statek znajdzie się w stanie uszkodzonym. W czasie katastrofy na morzu mamy do czynienia z sekwencją zdarzeń, które schematycznie przedstawiono na Rys. 4. Dynamika sytuacji w czasie katastrofy statku na morzu wymaga zastosowania szybkiego procesu podejmowania decyzji. Celem ratowania statku na morzu jest bezpieczeństwo ludzi, mienia i środowiska naturalnego. System oceny bezpieczeństwa statku w stanie uszkodzonym w czasie katastrofy na morzu przedstawiono na Rys. 5. Podstawą poprawnego funkcjonowania systemu oceny bezpieczeństwa statku w stanie uszkodzonym w czasie katastrofy jest: 1. Możliwość szybkiego modelowania sytuacji. 2. Możliwość szybkiego modelowania zachowania się statku. Wynika to z faktu, że szybkie i efektywne podejmowanie decyzji w czasie katastrofy na morzu, ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo ludzi, mienia i środowiska naturalnego. 5565

6 Kontynuacja misji Zagrożenie Sekwencja zdarzeń Czy statek przetrwa zatopienie? Tak Powrót do portu o własnych siłach Powrót do portu na holu Nie Przygotowanie do opuszczenia statku Opuszczenie statku Akcja SAR Utrata statku Czas na opuszczenie statku Czas Czas przetrwania Statek powinien pozostać w pozycji wyprostowanej tak długo jak to konieczne Rys. 4. Sekwencja zdarzeń w czasie katastrofy na morzu [1] Start Opcje SAR Ratowanie statku Ratowanie mienia Ochrona środowiska Definicja statku i środowiska Szacowanie prawdopodobieństwa P i Szacowanie konsekwencji C i Ocena zachowania się statku Ocena ryzyka Szybkie modelowanie sytuacji: - zdarzenia - zagrożenia - scenariusze wypadku Szybkie modelowanie zachowania się statku: - pływalność - stateczność - stateczność awaryjna - zachowanie się statku w stanie uszkodzonym na fali System podejmowania decyzji DSS Decyzje dotyczące bezpieczeństwa statku End Rys. 5. System oceny bezpieczeństwa statku w stanie uszkodzonym w czasie katastrofy [1] 5566

7 6. MODEL MATEMATYCZNY DO SZYBKIEGO MODELOWANIA SEKWENCJI ZDARZEŃ ZAGRAŻAJĄCYCH BEZPIECZEŃSTWU STATKU Podstawę modelu matematycznego do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w warunkach operacyjnych jest całościowy model oceny ryzyka. Zgodnie z definicją ryzyka, podaną w literaturze, ryzyko katastrofy statku, można przedstawić w sposób następujący [1, 3, 6]: R = P Z P ZP/Z P US/ZP/Z C (1) gdzie: P Z - prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia. P ZP/Z - prawdopodobieństwo warunkowe wystąpienia zdarzeń pośrednich, na skutek wystąpienia zagrożenia. P US/ZP/Z - prawdopodobieństwo warunkowe utraty statku, na skutek wystąpienia zdarzeń pośrednich, na skutek wystąpienia zagrożenia. C - konsekwencje katastrofy wyrażające: straty w ludziach (ofiary, ranni), straty materialne (dotyczące mienia (statek, ładunek)), starty materialne (związane z zanieczyszczeniem środowiska naturalnego), straty ogólne (wyrażone w środkach finansowych). 7. MODEL MATEMATYCZNY DO SZYBKIEGO MODELOWANIA ZACHOWANIA SIĘ STATKU Podczas badań przyjęto, że ogólny układ równań ruchu statku, który umożliwia określenie zachowania się statku nieuszkodzonego w warunkach operacyjnych, zostanie przedstawiony w sposób następujący [1]: 6 j 2 ( M A ) x ( t) B x ( t) C x ( t) F ( t) (2) j gdzie: i - indeks opisujący kolejne składowe ruchu statku (i = 2,...,6), j - indeks opisujący kolejny stopień swobody, M - macierz mas statku, A - macierz mas towarzyszących, B - macierz współczynników sił tłumienia, C - macierz współczynników sił przywracających, F - macierz zewnętrznych sił hydrodynamicznych. Ocena zachowania się statku, rozwiązując powyższy układ równań, wymaga teoretycznie wzięcia pod uwagę następujących sił pochodzących z różnych źródeł: 1. Siły grawitacyjne. 2. Siły hydrostatyczne (siły przywracające). 3. Siły hydrodynamiczne (siły wymuszające Froude'a-Krylov'a, siły wymuszające dyfrakcyjne). 4. Siły hydrodynamiczne od slamming'u, w tym zalewanie pokładu. 5. Siły aerodynamiczne od działania wiatru. 6. Siły od przemieszczenia ładunku i/lub balastu. 7. Siły od działania urządzeń napędowych. 8. Siły będące wynikiem działań czynnika ludzkiego. Na obecnym etapie badań pominięto oddziaływanie następujących wymuszeń: 1. Siły hydrodynamiczne od slamming'u, w tym zalewanie pokładu. 2. Siły aerodynamiczne od działania wiatru. 3. Siły od przemieszczenia ładunku i/lub balastu. 4. Siły od działania urządzeń napędowych. 5. Siły będące wynikiem działań czynnika ludzkiego. j j 6 j

8 Z powyższego zestawienia wynika, że w dalszych rozważaniach ujęte będą następujące wymuszenia: 1. Siły grawitacyjne. 2. Siły hydrostatyczne (siły przywracające). 3. Siły hydrodynamiczne (siły wymuszające Froude'a-Krylov'a, siły wymuszające dyfrakcyjne). WNIOSKI W artykule przedstawiono wybrane elementy badań, w tym przedstawiono cel badań, podano podstawowe informacje na temat bezpieczeństwa w transporcie morskim, zarządzania ryzykiem w transporcie morskim, identyfikacji zagrożeń, modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku, modelu systemu do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w warunkach operacyjnych, modelu matematycznego do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku i modelu matematycznego do szybkiego modelowania zachowania się statku w warunkach operacyjnych (symulacja komputerowa). Obecne prace badawcze związane są z dalszym rozwojem zagadnień przedstawionych w artykule. Prace koncentrują się głównie nad opracowaniem całościowego modelu ryzyka do oceny bezpieczeństwa statku w stanie nieuszkodzonym w warunkach operacyjnych, w tym w sytuacjach skrajnych, gdzie zagrożenia i scenariusze wypadku mogą prowadzić do utraty statku. Do dalszych badań wybrano kontenerowce. Zdefiniowano podstawowe zagrożenia w przypadku tych statków, które wymieniono we wstępie artykułu. Druga zasadnicza część badań związana jest z opracowaniem procedury do zarządzania ryzkiem wypadku, która stanowi podstawowy element tak zwanego systemu podejmowania decyzji DSS (ang. Decision Support System). Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane elementy badań związanych z opracowaniem modelu do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku. Przedstawiono podstawowe informacje na temat bezpieczeństwa w transporcie morskim i zarządzania tym bezpieczeństwem. Podano zasadnicze informacje na temat identyfikacji zagrożeń i modelowania scenariuszy wypadku mogących prowadzić do katastrofy statku na morzu. Przedstawiono propozycję systemu do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku w warunkach operacyjnych. W końcowej części artykułu opisano zasadnicze elementy modelu matematycznego do szybkiego modelowania sekwencji zdarzeń zagrażających bezpieczeństwu statku i modelu matematycznego do szybkiego modelowania zachowania się statku w warunkach operacyjnych przy użyciu symulacji komputerowej. Informacje zawarte w artykule stanowią wybrane elementy prac związanych z realizacja przewodu doktorskiego. A model for rapid modeling of the sequence of events causing a danger to the ship safety in operational conditions Abstract In the paper some elements on the research connected with development of a model for rapid modeling of a sequence of events which may have an impact on the ship safety are presented. The fundamental information on the safety of maritime transportation and safety management is given. The basic information on the hazard identification and modeling of the accident scenarios which may cause a catastrophe at sea is described. A proposal of a system for rapid modeling of the sequences of scenarios causing a danger for the ship safety in operational conditions is shown. In the final part of the paper both the main elements of the mathematical model for rapid modeling of the accident scenarios causing a danger to the ship safety and mathematical model for rapid modeling of the ship performance in operational conditions by a computer simulation are presented. The information include in the paper are the chosen elements of research associated with preparing a Ph.D. thesis by the first author. 5568

9 BIBLIOGRAFIA 1. Gerigk M., Kompleksowa metoda oceny bezpieczeństwa statku w stanie uszkodzonym z uwzględnieniem analizy ryzyka, Monografie 101, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Grabowski M., Merrick J. R. W., Harrald J. R., Mazzuchi T. A., Rene van Dorp J., Risk modeling in distributed, large-scale systems, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics part A: Systems and Humans, Vol. 30, No. 6, November Jasionowski A., Vassalos D., Conceptualising Risk, Proceedings of the 9th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles STAB 2006, Rio de Janeiro, September Pillay A., Wang J., Technology and Safety of Marine Systems, Elsevier Ocean Engineering Book Series, Volume 7, Elsevier Sii H.S., Ruxton T., Wang J., Novel risk assessment and decision support techniques for safety management systems, Journal of Marine Engineering and Technology, No. A1, Skjong R., Vanem E., Rusas S., Olufsen O., Holistic and Risk Based Approach to Collision Damage Stability of Passenger Ships, Proceedings of the 9 th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles STAB 2006, Rio de Janeiro, September