PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 22 AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI 2008 PRZEMYSŁAW DZIULA MIROSŁAW JURDZIŃSKI Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji KRZYSZTOF KOŁOWROCKI JOANNA SOSZYŃSKA Akademia Morska w Gdyni Katedra Matematyki MODELOWANIE BEZPIECZEŃSTWA MORSKICH SYSTEMÓW I PROCESÓW TRANSPORTOWYCH Opracowanie obejmuje trzy części tematyczne. W pierwszej części dokonano wstępnej analizy możliwości podejścia do systemowego modelowania statku jako morskiego systemu transportowego, dokonując jego podziału na poszczególne podsystemy. Statek jako obiekt badań jest przy tym pojedynczym systemem rozpatrywanym w sześciu stanach eksploatacyjnych w jakich może on przebywać. W drugiej części pracy omówiono czynnik ludzki jako ważny element bezpieczeństwa statku morskiego, natomiast w ostatniej wyniki prac Katedry Matematyki Akademii Morskiej w Gdyni na temat wielostanowego podejścia do analizy bezpieczeństwa systemów transportowych. WSTĘP Modelowanie statku jako morskiego systemu transportowego stanowi ważny krok w kierunku możliwości zwiększenia bezpieczeństwa żeglugi. Procesy transportowe w ujęciu systemowym pozwolą na przeprowadzenie analizy ich niezawodności, co można przełożyć na ich efektywność i bezpieczeństwo. W pierwszym okresie badań zespół dokonał ogólnej oceny elementów systemu jako jego części składowych. W części badawczej przedstawiono wstępny model niezawodnościowy statku przy zastosowaniu procesów semi-markowskich do modelowania ich procesu eksploatacji. Zdefiniowano również funkcję bezpieczeństwa. Opis niniejszego sprawozdania z badań podzielono na trzy części. Pierwsza z nich dotyczy podziału statku na określone systemy oraz ich elementy. Cały 17
układ techniczny statku podzielono na 7 podsystemów. Przedstawiono tam również możliwości modelowania ogólnej struktury całego systemu oraz jego podsystemów w procesach eksploatacji. W części drugiej dokonano ogólnego przeglądu czynnika ludzkiego jako elementu bezpieczeństwa statku. Czynnik ludzki, obok środowiska morskiego i wyposażenia technicznego statku, stanowi ważny element w procesie utrzymania wysokiego poziomu niezawodności i bezpieczeństwa całego systemu. Analizę wpływu czynnika ludzkiego na bezpieczeństwo eksploatacji statku podzielono na sześć szczegółowo opisanych elementów. Ogólny model bezpieczeństwa wielostanowego systemu jaki stanowi współczesny statek handlowy został opisany w części trzeciej. 1. SYSTEMY OKRĘTOWE I ICH ELEMENTY W systemowym podejściu do modelowania morskiego systemu transportowego istotne jest szczegółowe rozpoznanie poszczególnych elementów systemu, jak również jego podsystemów [6]. Dokonano więc podziału statku handlowego na systemy i podsystemy stanowiące układ statku jako skomplikowany system techniczny będący częścią modelu morskiego systemu transportowego. Podziału dokonano w aspekcie priorytetu ważności bezpieczeństwa działania jednostki, jak również w zespole elementów całego systemu transportowego. W drugiej części podrozdziału wprowadzone zostały procesy eksploatacyjne statku, stanowiące o poziomie stanu bezpieczeństwa w różnych fazach eksploatacji. S 7 S 1 S 3 S 6 S 6 S 7 S 5 S 2 S 3 S 1 S 3 S 5 S 4 S 2 18
Rys. 1. Rozkład systemów w kadłubie statku W ramach podejścia systemowego, statek podzielono na niżej opisane systemy mające główny wpływ na niezawodność. System nawigacyjny S 1 : system planowania trajektorii (ECDIS), system kontroli trajektorii (GPS, ECDIS, echosonda, sonar, log, system sterowania), system antykolizyjny (radar/arpa/ais), system łączności (wewnętrznej, zewnętrznej, GMDSS), system sygnałowy (światła, znaki, sygnały dźwiękowe), system rejestracji podróży (VDR). System napędowy/sterowy S 2 : silnik główny (spalinowy, turbinowy, spalinowo-elektryczny itp.), systemy pomocnicze (smarowanie, chłodzenie, wymienniki ciepła, kotły, filtry, kompresory powietrza, separatory, systemy łożyskowania), automatyka sterowania i systemy alarmowe, system sterowy (maszyna sterowa, stery strumieniowe), system elektryczny (agregaty zasilające, agregaty awaryjne, systemy zasilania awaryjnego bateria). System ładunkowy S 3 : urządzenia przeładunkowe, zamknięcia luków, systemy ładowni (stan ładowni), system mocowania, system chłodzenia, wentylacji, odwadniania. System kadłubowy S 4 : system grodzi wodoszczelnych (szczelność, system zamykania), stateczność (statyczna, dynamiczna, awaryjna), wytrzymałość (momenty gnące, siły tnące), system balastowy, system zęzowy, inne zbiorniki i systemy kadłubowe (woda pitna, zbiorniki osadowe, zbiorniki resztkowe, systemy do separacji płynów, system utylizacji ścieków i śmieci). System bezpieczeństwa S 5 : system monitorowania szczelności kadłuba, 19
system monitorowania przeciwpożarowego, system ochronny przeciwpożarowy (system całookrętowego gaszenia CO 2, pionowe zraszanie, pompy), system monitorowania naprężeń kadłuba, system ratunkowy, system służby medycznej, system łączności alarmowej (EpiRB, UKF, systemy sygnalizacji świetlnej i dźwiękowej). System cumowania i kotwiczenia S 6 : system cumowniczy (kabestany, liny cumownicze, systemy naciągu lin), system kotwiczny, system holowniczy. System socjalny (hotelowy) S 7 : system żywienia, system mieszkalny, system utylizacji śmieci. Do celów badawczych przyjęto, że statek może realizować jeden z następujących procesów eksploatacyjnych: z 1 załadunek, z 2 wyładunek, z 3 wyjście z portu, z 4 wejście do portu, z 5 żegluga przybrzeżna (żegluga na akwenach ograniczonych), z 6 żegluga na wodach otwartych. Dla każdego z wymienionych procesów można dokonać próby sformułowania zależności opisujących bezpieczeństwo statku ze względu na: stany w jakich przebywają wyszczególnione wyżej systemy i podsystemy okrętowe biorące udział w realizacji danego procesu, czynniki zewnętrzne (środowiskowe) oddziałujące na bezpieczeństwo statku, wpływ czynnika ludzkiego. Jako przykład dokonano sformułowania zależności obrazujących bezpieczeństwo statku w żegludze przybrzeżnej ze względu na stan systemu nawigacyjnego i jego podsystemów. Konstrukcję struktury systemu nawigacyjnego przedstawiono na rysunkach 2 i 3, przy czym na każdym z nich wyróżniono tylko elementy biorące 20
udział w realizacji procesu. Pierwszy z nich przedstawia strukturę całego systemu nawigacyjnego trajektorii, natomiast drugi podsystemu jego kontroli. S11 S12 S13 S14 Rys. 2. Struktura ogólna całego systemu nawigacyjnego trajektorii radar 1 radar 2 żyrokompas log System sterowania ręcznego GPS 1 GPS 2 ECDIS 1 ECDIS 2 System sterowania automatycznego Rys. 3. Struktura podsystemu kontroli trajektorii 2. CZYNNIK LUDZKI JAKO WAŻNY ELEMENT BEZPIECZEŃSTWA STATKU Na proces ogólnego bezpieczeństwa statku składają się następujące elementy: 1) czynnik ludzki (załoga), 2) warunki zewnętrzne (środowisko morskie), 3) wyposażenie techniczne statku (stan techniczny urządzeń sterowania statkiem), 4) procedury i organizacja pracy (przepisy krajowe lub międzynarodowe). Działanie załogi System techniczny statku Zewnętrzne działanie środowiska na statek CZYNNIK LUDZKI Warunki pracy i odpoczynku Współpraca załogi z lądem Organizacja pracy na statku 21
Rys. 4. Elementy składowe tworzące pojęcie czynnika ludzkiego w procesie utrzymania bezpieczeństwa statku W niniejszym rozdziale opisano czynnik ludzki będący głównym elementem bezpieczeństwa statku w procesie eksploatacji na co wskazuje wiele awarii w żegludze morskiej do których doszło w wyniku błędów popełnianych przez ludzi. Różne źródła podają wartości, które oscylują w granicach 80 wszystkich awarii. Poniżej przedstawiono szczegółową analizę elementów składowych czynnika ludzkiego w awariach statku. 1. Działanie załogi W tym elemencie należy wymienić cechy członków załogi, a więc: zdolności, umiejętności, wiedza, wynikające z doświadczenia i szkolenia, stan osobowości zmysłowej, jak odporność psychiczna i stan emocjonalny, warunki fizyczne, czyli zdolność do pracy fizycznej, spożywanie alkoholu, zażywanie narkotyków, palenie tytoniu, aktywność lub działalność przed wypadkiem, wykonywane wyznaczone obowiązki przed wypadkiem, zachowanie się członka załogi w czasie wypadku, zaangażowanie. 2. Organizacja pracy na statku Ten element obejmuje całokształt zasad i przepisów ustalonych przez armatora na podstawie przepisów międzynarodowych IMO/IHO, dotyczących: podziału zadań i odpowiedzialności na statku, składu załogi pod względem narodowości i kompetencji, poziomu obsady, liczby członków załogi na statku, obciążenia pracą, złożonością zadań, liczby godzin pracy i odpoczynku, procedur i poleceń przełożonych, łączności zewnętrznej i wewnętrznej na statku, organizacji pracy i jej dozoru, organizacji szkoleń i ćwiczeń prowadzonych na statku dla załogi, współżycia w zespołach (wachty), planowania działalności (podróży, załadunku, konserwacji). 3. Warunki pracy i odpoczynku 22
Jednym z ważnych czynników w pracy załogi jest kontrola zmęczenia, która wiąże się nie tylko z czasem pracy, ale również z warunkami pracy i wypoczynku. Do elementów składowych tego zagadnienia należy zaliczyć: poziom automatyzacji statku, rozkłady ergonomiczne miejsc pracy (mostek, centrala w siłowni itp.), powierzchnię mieszkalną i miejsce rekreacji załogi, odpowiednie warunki mieszkalne (kabiny, wentylacja, klimatyzacja, powierzchnia mieszkalna na osobę, liczba osób w jednym pomieszczeniu), jakość wyżywienia, poziom kołysania statku, w tym poziom drgań, temperatury, wilgotności i hałasu w poszczególnych miejscach pracy i wypoczynku. 4. System techniczny statku Następnym elementem wpływającym na awarię statku jest czynnik okrętowy, do którego zalicza się: rozkład budowy, miejsce rozmieszczenia kabin, mostka, siłowni, stan konserwacji elementów technicznych, wyposażenie w sprzęt, jego niezawodność i dostępność, charakterystykę ładunku, rodzaj i rozmieszczenie oraz wpływ na bezpieczeństwo życia ludzkiego i środowiska naturalnego, sposób ładowania i dozoru w czasie przewozu, certyfikaty (badania ekspertów przed wyjściem w morze). 5. Współpraca załogi z lądem Ten czynnik ma szczególny wpływ na procesy bezpieczeństwa ze względu na brak rozeznania menedżerów w aktualnych warunkach pływania, jakże często w zmiennych warunkach środowiskowych. Ten dział obejmuje: praktykę rekrutowania załóg, dbałość o bezpieczeństwo współpracy członków załogi z różnych środowisk kulturowych, o różnych światopoglądach, praktykach religijnych, zobowiązanie armatora do zarządzania bezpieczeństwem statku, utrzymywanie planu udzielania załodze urlopów, spełnienie warunków umowy o zatrudnieniu, przydzielanie ścisłych obowiązków poszczególnym członkom załogi, ścisłą łączność między statkiem i lądem (biurem, domem itp.). Ostatnim, bardzo ważnym elementem bezpieczeństwa statku, jest wpływ warunków zewnętrznych działających na statek w czasie jego eksploatacji. 6. Zewnętrzne działanie środowiska na statek 23
W ramach tego elementu należy wymienić: pogodę i stan morza, sposób i warunki w czasie wchodzenia do portu (jak pilotaż, VTS, AIS itp.), gęstość ruchu statków, stosunek parametrów torów wodnych i basenów portowych do parametrów geometrycznych statków, warunki zlodzenia powierzchni morza i temperatura powietrza, organizacje reprezentujące armatora i marynarzy oraz ich współdziałanie, regulaminy, inspekcje, przeglądy techniczne oraz działanie oficerów inspekcji w portach (Port State Control, towarzystw klasyfikacyjnych i innych). 3. METODYKA BADAŃ BEZPIECZEŃSTWA NIEZAWODNOŚCI STATKU W badanym modelu nie uwzględniono elementu czynnika ludzkiego, ograniczając się do analizy systemów technicznych. W pracy przyjęto, że elementy systemu są wielostanowe, starzejące się z powodu pogarszających się w czasie stanów technicznych. Zatem podstawową charakterystyką bezpieczeństwa systemu staje się rozkład czasu do przekroczenia stanu progowego, zwany funkcją ryzyka systemu [7, 8]. Rozkład ten jest ściśle wyznaczony przez wielostanową funkcję bezpieczeństwa systemu. Modelowanie procesów eksploatacyjnych systemów okrętowych jest trudne z powodu dużej liczby statków eksploatacyjnych oraz trudności precyzyjnego ich zdefiniowania, a także niemożliwości dokładnego opisu zmian zachodzących między poszczególnymi stanami. Stąd najlepszym podejściem do modelowania tych skomplikowanych procesów wydaje się być opis ich za pomocą procesów semi-markowskich [10]. W podejściu do badania bezpieczeństwa statku wyróżniono następujące etapy modelowania: 1. Pojęcia podstawowe. 2. Model bezpieczeństwa statku w stałych warunkach eksploatacyjnych. 3. Proces eksploatacji statku. 4. Wstępne zastosowanie modelu bezpieczeństwa statku w zmiennych warunkach eksploatacyjnych. Wyniki badań przedstawiono we wnioskach końcowych [1, 9] niniejszego opracowania. 24
4. WNIOSKI KOŃCOWE 1. Modelowanie procesów eksploatacji systemów wielostanowych opisano za pomocą procesów semi-markowskich. 2. Osiągnięto wstępne wyniki badań związanych z modelowaniem morskich systemów transportowych ze zmiennymi w czasie procesów eksploatacyjnych. 3. Struktura bezpieczeństwa statku oraz jego bezpieczeństwo określone przez charakterystyki podsystemów zmieniające się w różnych stanach eksploatacji czynią dokładniejszą, ale także bardziej skomplikowaną analizę morskiego procesu transportowego. 4. Uproszczono zmieniające się w czasie struktury bezpieczeństwa w omawianym ogólnym modelu. 5. Wyniki badań stanowią rodzaj ilustracji zjawiska i pokazują, że w praktyce metody te można zastosować do analizy bezpieczeństwa systemu transportowego. 6. Wyniki zaprezentowane w opracowaniu pokazują, że należy kontynuować realizowane badania, ze szczególnym zwróceniem uwagi na analizę bezpieczeństwa w bardziej skomplikowanych systemach wielostanowych [8]. LITERATURA 1. Dziula P., Jurdziński M., Kołowrocki K., Soszyńska J., On multi-state safety analysis in shiping, International Journal of Gnedenko e-forum Reliability: Theory & Application, Vol. 2, No 3-4, 40-53, 2007. 2. Dziula P., Jurdziński M., Kołowrocki K., Soszyńska J., On systems multi-state safety analysis in sipping, Proc. 1 st Summer Safety and Reliability Seminars SSARS 2007, Vol. 1, 83-96, Gdańsk Sopot 2007. 3. Dziula P., Jurdziński M., Kołowrocki K., Soszyńska J., On ship systems multi-state safety analysis, Proc. 7 th International Navigation Symposium on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. Trans-Nav 2007, Vol. 1, 519-524, Gdynia 2007. 4. Dziula P., Jurdziński M., Kołowrocki K., Soszyńska J.,On safety of ship systems in variable operation conditions, Proc. 13 th Internacional Congress of the International Maritime Association of the Mediterranean IMAM 2007. Maritime Industry. Ocean Engeering and Coastal Rescources, A.A. Balkema, Vol 2, 1057-1067, Varna 2007. 5. Dziula P., Jurdziński M., Kołowrocki K., Soszyńska J., On multi-state approach to ship systems safety analysis, Proc. 13 th Internacional Congress of the International Maritime Association of the Mediterranean IMAM 2007. Maritime Industry. Ocean Engeering and Coastal Rescources, A. A. Balkema, Vol 2, 1069-1073, Varna 2007. 6. Jurdziński M., Kołowrocki K., Dziula P., Modelowanie morskich systemów i procesów transportowych, Raport 335/DS/2006, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2007. 25
7. Kołowrocki K., Asymptotic Approach to System Reliability Analysis. Monograph, System Research Institute, Polish Academy of Science, Warsaw 2001. 8. Kołowrocki K., Reliability of Large Systems, Amsterdam Boston Heidelberg London New York Oxford Paris San Diego San Francisco Singapore Sydney Tokyo, Elsevier, 2004. 9. Kołowrocki K., Soszyńska J., Jurdziński M., Dziula P., On multi-state safety analysis in shipping, International Journal of Reliability, Quality and Safety Engineering, System Reliability and Safety, Vol. 14, No 6, 1-21, 2007. 10. Soszyńska J., Systems reliability analysis In variable operation conditions. PhD Thesis, Gdynia Maritime University System Research Institute, Warsaw 2007. MODELLING OF SAFETY THE MARINE TRANSPORTING SYSTEMS AND ITS PROCESSES (Summary) The paper consists of three stages of research. In the first part there was an approach to modeling the ship systems divided into subsystems. Finally the ship operation has been divided into six operational stages. In the second part of research the human factor in ships operation has been discussed. The last part of paper relates to safety of ship systems operated in variable conditions researched in cooperation with Mathematics Department in Gdynia Maritime University. 26