Hình thức hóa mức độ an toàn của hệ thống kỹ thuật công nghệ

10/06/2019

Đặt vấn đề:

Để đánh giá độ an toàn của Hệ thống kỹ thuật công nghệ (HKC), trước hết ta cần xác định các chỉ số phục vụ đánh giá an toàn của HKC. Sau đó phân mức chỉ thị của các chỉ số đó theo thang đánh giá bán định lượng 7 mức.

Các chỉ số nói trên gọi là các chỉ số an toàn của HKC. Chúng đượcbiểu hiện trong quá trình khai thác, vận hành, xác định sự an toàn của người vận hành, của bản thân HKC và của dân cư xung quanh.

Các chỉ số an toàn là: xác suất làm việc an toàn của con người trong các điều kiện cụ thể về không gian và thời gian, thời gian phản xạ của các thiết bị bảo vệ và phong tỏa, độ bền của các đường cung cấp điện, nhiệt, khí nén, v.v.

Trong bài viết này, chúng tôi dự kiến trình bày công cụ biểu diễn, hình thức hóa mức độ an toàn của HKC. Cụ thể như sau:

I. Thang đánh giá bán định lượng trạng thái an toàn của HKC

Đánh giá độ an toàn HKC hiện nay chủ yếu theo phương pháp phân mức bán định lượng. Theo nhu cầu đánh giá và phân biệt tính cấp bách của các giải pháp phòng ngừa, can thiệp, thang phân mức này phổ biến ở dạng 7 mức. Đối với một số HKC không quá phức tạp thì có thể áp dụng đánh giá 5 mức.

Đánh giá bán định lượng mức an toàn HKC thường theo thang 7 mức, thể hiện qua ngôn ngữ, có thể như sau:

Mức 1 – Trạng thái HKC hoạt động trơn tru, khả dụng;

Mức 2 - Trạng thái HKC hoạt động trơn tru, hiếm khi có dấu hiệu chập chờn, khả dụng;

Mức 3– Trạng thái HKC hoạt động bình thường, có trục trặc nhẹ, không thường xuyên;

Mức 4– Trạng thái HKC hoạt động bình thường, có trục trặc nhẹ nhưng khá thường xuyên;

Mức 5 – Trạng thái HKC hoạt động gián đoạn, các thông số trạng thái vượt ra ngoài vùng cho phép, có trục trặc đôi khi phải ngừng hoạt động;

Mức 6– Trạng thái HKC hoạt động gián đoạn, hầu hết các thông số trạng thái đều ngoài miền cho phép, thường xuyên phải ngừng HKC;

Mức 7 – Trạng thái HKC trục trặc nặng, không thể hoạt động. Cần sửa chữa, phục hồi.

Để phân loại mức trạng thái an toàn, độ nhất quán của tập ý kiến chuyên gia có thể khác nhau đôi chút tuỳ thuộc vào độ chỉ thị an toàn có khác nhau. Các đối chứng, so sánh với tập trạng thái chuẩn có thể hình thức hoá như sau:

Giả sử độ chỉ thị mất an toàn của phần tử được xét có xác xuất trong khoảng từ "a" tới "b", a<b<0,5. Ta có thang trạng thái biểu diễn qua thang ngôn ngữ 7 mức như sau:

ATHKC={(0,0);(0,a);(a,b);(b,1-b);(1-b,1-a);(1-a,1);(1,1)}.     (1)

Nếu chỉ thị trạng thái có thể xác định được bằng thiết bị đo (như nhiệt độ; áp suất; tiếng ồn; độ rung; v.v.), ta có thể dùng tương quan trên để phân loại, như sau:

Trạng thái ứng với độ chỉ thị (ĐCT): ĐCT~ 0 Không có trục trặc, mức 1;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT< a  Không có trục trặc, mức 2;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=a¸b hơi có trục trặc, mức 3;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=b¸1-b trục trặc nhẹ, thường xuyên, mức 4;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=1-b¸1-a hoạt động gián đoạn, mức 5;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=1-a¸1 hoạt động gián đoạn, hầu hết các thông số trạng thái đều ngoài miền cho phép, thường xuyên phải ngừng HKC, mức 6;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=1¸1  HKC không thể hoạt động. Cần phục hồi, thay thế, mức 7.

Một chú ý cần biết trong đánh giá mức an toàn HKC là không phải mọi trục trặc, hỏng hóc của các phần tử cấu thành đều dẫn đến mất an toàn của toàn hệ thống. Vấn đề này nằm trong các nghiên cứu chỉ ra các quan hệ chặt giữa trạng thái và mức an toàn của HKC và các yếu tố ảnh hưởng. Ta có một số nhận xét sau:

1- Về học thuật, phương pháp trạng thái chuẩn xác định tương quan giữa các trạng thái của HKC trình bày ở trên cho phép tiếp cận và giải quyết bài toán đánh giá mức an toàn HKC dựa vào các mẫu trạng thái chuẩn và tương quan chuẩn. Phương pháp này phục vụ  cho công tác thanh tra, thẩm định và xác định nhanh mức nhạy cảm sự cố của HKC.

2- Một trong những mấu chốt ứng dụng phương pháp đã trình bày là việc xác định hàm thuộc của các trạng thái tạo thành tập hợp trạng thái an toàn chuẩn bằng công cụ chuẩn. Có thể xây dựng một số trạng thái chuẩn và tương quan chuẩn căn cứ vào thực tiễn hoạt động của các HKC tương tự để phục vụ đánh giá nhanh mức an toàn HKC được xét.

II. Hình thức hóa trạng thái an toàn của HKC căn cứ vào độ tin cậy của chúng

Nếu chúng ta lấy độ tin cậy P của HKC làm chỉ thị an toàn, thì độ mất tin cậy sẽ là 1-P. Nếu độ tin cậy P dao động trong khoảng từ Pmin đến Pmax thì độ mất tin cậy sẽ trong khoảng từ (1-Pmax) đến (1-Pmin). Áp dụng biểu thức (1) ta có thang trạng thái mất tin cậy tăng dần, biểu diễn qua thang ngôn ngữ 7 mức như sau:

MTCHKC={[0,0];[0,1-Pmax];[1-Pmax,1-Pmin];[1-Pmin,Pmin];[Pmin,Pmax];[Pmax,1);(1,1)}.(2)

Tương quan (2) trên được dùng để phân loại an toàn HKC như sau:

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT ~ 0  Trạng thái mất tin cậy rất nhỏ, HKC hoạt động an toàn (không có trục trặc), mức 1;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT<1-Pmax  Trạng thái mất tin cậy rất nhỏ, HKC hoạt động an toàn (không có trục trặc), mức 2;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=1-Pmax¸1-Pmin  Trạng thái mất tin cậy nhỏ, HKC hoạt động mất ổn định (hơi có trục trặc), mức 3;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=1-Pmin¸Pmin  Trạng thái mất tin cậy rõ ràng, HKC hoạt động thiếu an toàn (trục trặc nhẹ, thường xuyên), mức 4;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=Pmin¸Pmax  Trạng thái mất tin cậy cao, HKC hoạt động mất an toàn (gián đoạn), mức 5;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=Pmax¸1  Trạng thái mất tin cậy rất cao, HKC hoạt động mất an toàn nặng (gián đoạn, hầu hết các thông số trạng thái đều ngoài miền cho phép, thường xuyên phải ngừng HKC),  mức 6;

Trạng thái ứng với độ chỉ thị: ĐCT=1¸1  Trạng thái mất tin cậy nguy hiểm, HKC không thể hoạt động hoặc sẽ gây sự cố (cần sửa chữa, phục hồi ngay), mức 7.

Đánh giá mức an toàn của HKC căn cứ vào độ mất tin cậy của chúng được trình bày theo độ chỉ thị mất tin cậy tăng dần. Hình thức hóa như (2) được coi là chấp nhận được trong đánh giá đơn lẻ.

III. Biểu diễn độ an toàn của các hệ thống kỹ thuật công nghệ theo kết quả thống kê

Trong quá trình nghiên cứu đánh giá mức độ an toàn và mức độ mất an toàn chúng ta cần làm rõ một số khái niệm và tìm cách biểu diễn chúng.

Các khái niệm phổ biến:

- Sự kiện cần xem xét, đánh giá an toàn, N  – là tập hợp tất cả các sự kiện được khảo sát, theo dõi, thống kê trạng thái an toàn và mất an toàn;

- Sự kiện an toàn – là tập hợp các sự kiện NAT thuộc  N, trong đó không có sự cố-tai nạn mất an toàn;

- Sự kiện chập chờn (không an toàn, cũng không mất an toàn) – là tập hợp các sự kiện NCC  thuộc N, trong đó xuất hiện những trạng thái mất an toàn trong khoảng thời gian rất ngắn rồi trở lại trạng thái bình thường. Đối với nhiều dạng máy, thiết bị không có sự kiện trạng thái chập chờn này;

- Sự kiện sự cố-tai nạn mất an toàn – là tập hợp các sự kiện  NSC-TN  thuộc  N, trong đó xảy ra sự cố mất an toàn bao gồm cả xảy ra tai nạn lao động;

Nghiên cứu đánh giá mức độ an toàn và mức độ mất an toàn chính là biểu diễn định lượng (bán định lượng hoặc định tính) tương quan giữa các tập hợp sự kiện nêu trên.

Từ quan điểm tập hợp, ta có thể viết:

N =   NAT   +  NCC  +  NSC-TN                              (3)

Chúng ta có:

 ,                                                                            (4)

– là xác suất sự kiện an toàn trong toàn bộ tập hợp sự kiện được xét;

,                                                                             (5)

– là tỷ lệ sự kiện chập chờn trong toàn bộ tập hợp sự kiện được xét.

,                                                                        (6)

– là tỷ lệ sự kiện mất an toàn (sự cố-tai nạn) trong toàn bộ tập hợp sự kiện được xét.

Nếu N đủ lớn, chúng ta có thể coi các tỷ lệ nêu trên là xác suất của các sự kiện an toàn; sự kiện chập chờn và sự kiện mất an toàn.

Trong nhiều trường hợp sử dụng máy và thiết bị không quan trắc thấy sự kiện chập chờn thì ta tạm thời coi chúng có cùng thuộc tính với các sự kiện an toàn, hay sự kiện an toàn bao gồm cả sự kiện chập chờn. Khi đó biểu thức (3) trở thành:

N∑  =   N∑AT  +  NSC-TN,                                              (7)

Trong đó:

 N∑AT  NAT   +  NCC ,                                                  (8)

Tức:

,                                                   (9)

Nhờ (7), ta thu được xác suất các sự kiện an toàn (9) như sau:

,                            (10)

Hoặc ở dạng khác là:

,                                                  (11)

Tức xác suất sự kiện an toàn là xác suất của sự kiện đối lập với sự kiện sự cố-tai nạn.

Tương tự, ta có thể kết luận đối xứng với kết luận nêu trên là: xác suất sự kiện sự cố-tai nạn mất an toàn là xác suất của sự kiện đối lập với sự kiện an toàn tổng thể.Tức:

​,                                                            (12)

Chúng ta đánh giá các mức an toàn (hoặc các mức mất an toàn) bằng các thang đánh giá sau:

Ví dụ thang 5 mức:

Xác suất sự kiện sự cố-tai nạn

≤ 10-6

10-6 ÷ 10-5

10-5 ÷ 10-4

10-4 ÷ 10-3

10-3 ÷ 10-2

Phân loại an toàn

Mức 1

Mức 2

Mức 3

Mức 4

Mức 5

An toàn  rất cao

An toàn cao

An toàn trung bình

An toàn kém

An toàn rất kém


Ví dụ thang 7 mức:

Xác suất sự kiện sự cố-tai nạn

≤ 10-8

≤ 10-7

≤ 10-6

10-6 ÷ 10-5

10-5 ÷ 10-4

10-4 ÷ 10-3

10-3 ÷ 10-2

Phân loại an toàn

Mức 1

Mức 2

Mức 3

Mức 4

Mức 5

Mức 6

Mức 7

An toàn lý tưởng

An toàn rất cao

An toàn cao

An toàn

Tương đối an toàn

An toàn kém

An toàn rất kém (Nguy hiểm)


Đối với thực tiễn hiện nay ở Việt Nam, các giá trị định lượng xác suất sự cố-tai nạn có thể khác với các giá trị nêu trong các bảng ví dụ ở trên (khác theo hướng chấp nhận mất an toàn hơn 1 bậc).

4. Đánh giá mức độ an toàn của HKC hoạt động

Dưới đây chúng ta trình bày phương pháp logic xác suất đánh giá mức an toàn của HKC trong khai thác vận hành.

Có một số lưu ý sau:

- An toàn lao động có thể và cần phải được đánh giá định lượng hoặc bán định lượng;

- Độ tin cậy của HKC chỉ là điều kiện cần phục vụ đánh giá mức an toàn của chúng. HKC có thể hoạt động tin cậy nhưng vẫn có thể xảy ra sự cố gây TNLĐ hoặc/và gây ô nhiễm nghiêm trọng MTLĐ;

- Điều kiện đủ đảm bảo HKC hoạt động an toàn phải là mức an toàn thao tác của người vận hành, điều khiển chúng (chủ yếu phụ thuộc vào sự chuyên nghiệp của NLĐ vận hành HKC).

Phương pháp logic xác suất đánh giá mức an toàn của HKC bao gồm: đánh giá mức an toàn kỹ thuật của HKC (a) và mức an toàn thao tác (các yếu tố con người) (b), sau đó tổ hợp chúng lại (c).

a) Đánh giá mức an toàn kỹ thuật của HKC

Trạng thái kỹ thuật của HKC chủ yếu bao gồm 3 tập hợp [ATKTj], j = 1, 2, 3.

- Tập hợp trạng thái HKC hoạt động trơn tru, an toàn,  [ATKT.1];

- Tập hợp trạng thái HKC hoạt động chập chờn, xen kẽ các trạng thái trơn tru và trục trặc,  [ATKT.2];

- Tập hợp trạng thái HKC hoạt động không ổn định, mất an toàn,  [ATKT.3];

Trạng thái thao tác, vận hành điều khiển của con người chủ yếu bao gồm 4 tập hợp, [ATThTi], i = 1, 2, 3.

- Tập hợp các thao tác vận hành, điều khiển chuẩn xác, an toàn, [ATThT.1];

- Tập hợp các thao tác có lỗi nhỏ và kịp thời được điều chỉnh lại, [ATThT.2];;

- Tập hợp các thao tác có lỗi nhỏ, không kịp thời được điều chỉnh,  [ATThT.3];

- Tập hợp các thao tác có lỗi lớn, không thể điều chỉnh lại,  [ATThT.4];.

Với lưu ý rằng tất cả các tập hợp trạng thái kỹ thuật của HKC và trạng thái thao tác của NLĐ nêu trên là các tập hợp rời rạc.

Như vậy, để đánh giá mức an toàn tổng thể của HKC, chúng ta có 12 tổ hợp là miền giao nhau của các tập hợp trạng thái nêu trên. Miền giao nhau của các tập hợp để chỉ rằng các trạng thái trong đó xảy ra đồng thời. Để có thể tính toán định lượng hoặc bán định lượng, các tập hợp trạng thái đó phải được hoặc mã hóa, hoặc đưa về một chỉ số có thang đo đếm thống nhất.

Trong khuôn khổ trình bày phương pháp, ở đây chúng tôi sử dụng cách biểu diễn được đưa về chỉ số thống kê và mã hóa về hệ đơn vị [0,1]. Các biểu thức tập hợp và các miền giao dưới đây vừa để mô tả các khái niệm, vừa định hướng mã hóa trong các đánh giá cụ thể. Về nguyên lý, tập giao của các tập rời rạc cũng rời rạc.

Biểu diễn tổng quát, ta có:

 ATHKC  [ATKTj] ⋂ [ATThTi]                       (13)

 j = 1, 2, 3;  i = 1, 2, 3

Trong đó chỉ có một tổ hợp sau được coi là an toàn:

ATHKC1  = [ATKT.1 [ATThT.1];                                                                 (14)

Một tổ hợp sau được coi là khá an toàn:

ATHKC2  = [ATKT.1 [ATThT.2].                                                                 (15)

Mười tổ hợp còn lại được coi là mất an toàn theo các mức khác nhau.

Mức mất an toàn (mức 3):

ATHKC3  = [ATKT.2] ⋂ [ATThT.1và  [ATKT.2] ⋂ [ATThT.2],    (16)

Mức mất an toàn cao (mức 4):

ATHKC4  = [ATKT.2⋂ [ATThT.2]           và            ATHKC4  = [ATKT.1] ⋂ [ATThT.4] ,    (17)

Mức mất an toàn rất cao (mức 5):

ATHKC5  = [ATKT.2] ⋂ [ATThT.2]                       ATHKC5  = [ATKT.2⋂ [ATThT.2] ,    (18)

Mức mất an toàn toàn bộ (mức 6):

ATHKC6  = [ATKT.3] ⋂ [ATThT.i]        i = 1, 2, 3.                                    (19)

Mức nguy hiểm (mức 7):

ATHKC7  = [ATKT.3⋂ [ATThT.4]                                                                 (20)

Các bước thực hành xác định mức an toàn tổng thể có thể liệt kê như sau:

1. Xác định mức an toàn của hệ thống kỹ thuật công nghệ theo từng cấu thành của HKC và với độ chỉ thị là độ tin cậy [0,1] của HKC, gán theo phân chia 3 tập trạng thái của chúng;

Cách thức xác định các tập trạng thái an toàn kỹ thuật của HKC được tính toán theo độ tin cậy của chúng và phân đoạn thành 3 tập trạng thái. Ở bước gần đúng đầu tiên, ta coi các tập trạng thái HKC được phân mức theo độ chỉ thị tin cậy như bảng 1 sau:

Bảng 1. Tập trạng thái HKC theo chỉ thị tin cậy của chúng*

Tập trạng thái

Giá trị độ tin cậy, KTC

Mô tả

Tập [ATKT.1]

[0,98; 1,000]

Trạng thái trơn tru, an toàn

Tập [ATKT.2]

[0,92; 0,979]

Trạng thái chập chờn

Tập [ATKT.3]

[0,85; 0,919]

Trạng thái trục trặc lớn, mất an toàn

*- HKC có độ tin cậy dưới 0,85 không có giá trị sử dụng.

b)Đánh giá mức an toàn thao tác trong điều kiện HKC hoạt động trơn tru

Cách thức lập cơ sở dữ liệu về thao tác an toàn của người vận hành, điều khiển HKC:

Về nguyên tắc cũng sử dụng bảng phân mức chỉ thị theo các tập trạng thái thao tác vận hành, điều khiển tương tự như bảng 1 trên. Chúng ta có:

Bảng 2. Tập trạng thái thao tác vận hành, điều khiển của con người**

Tập trạng thái

Giá trị độ tin cậy, KTC

Mô tả

Tập [ATThT.1]

[0,98; 1,000]

Thao tác đúng, chính xác, an toàn

Tập [ATThT.2]

[0,95; 0,979]

Thao tác có lỗi nhỏ nhưng kịp thời sửa

Tập [ATThT.3]

[0,92; 0,949]

Thao tác có lỗi nhỏ nhưng không kịp sửa

Tập [ATThT.4]

[0,88; 0,919]

Thao tác có lỗi nghiêm trọng, không thể sửa

** - Nhân viên vận hành, điều khiển HKC bị lỗi trên 12% thao tác không được làm việc.

c) Đánh giá tổng hợp mức an toàn của HKC hoạt động

Chúng ta áp dụng các tổ hợp theo (14) đến (20) để đánh giá và phân loại theo thang bán định lượng 7 mức nêu ở phần đầu bài viết.

Do tất cả các giá trị chỉ thị phân mức đều ở trong khoảng [0; 1] nên phép giao trên các tập hợp số thực hiện theo các biểu thức nói trên có quy tắc sau:

[a; A] ⋂ [b; B] = [max(a; b); min(A; B].                                      (21)

Phương pháp trình bày ở trên có thể nghiên cứu phát triển tiếp theo hướng chi tiết hóa, tức có thể phân loại các trạng thái kỹ thuật của HKC thành nhiều hơn 3 loại, các tập trạng thái thao tác của con người thành nhiều hơn 4 loại để được nhiều hơn 12 tổ hợp giao giữa chúng. Kết quả cuối cùng là đưa được nhiều tổ hợp giao vào cùng một trong 7 mức đánh giá hơn những gì trình bày trên đây.

KẾT LUẬN

1. Biểu diễn mức độ an toàn của các hệ thống kỹ thuật – công nghệ qua các chỉ số an toàn là vấn đề còn đang được quan tâm nghiên cứu. Chủ yếu là do sự phát triển các hệ thống này ngày một phức tạp, đạt tới sự tích hợp ngày một cao các thành tựu khoa học công nghệ, có khả năng tự thích nghi, thông minh. Tuy vậy, chúng chưa thoát ly được sự điều khiển, vận hành của con người;

2. Biểu diễn độ an toàn của HKC bằng thang ngôn ngữ đánh giá bán định lượng có ưu điểm dễ nhận thức, định hướng được yêu cầu thao tác điều khiển của người vận hành;

3. Phương pháp logic xác suất đánh giá mức an toàn của HKC chịu ảnh hưởng của mức an toàn thao tác của con người đề xuất ở đây có thể được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện nhằm đa dạng hóa phương tiện và công cụ đảm bảo an toàn sản xuất công nghiệp, an toàn lao động.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Дзиркал Э.В. Надежность сложных систем, Курс лекций, Пенза 2010г. 118 стр.

2. Нгуен Минь Хай, Нечетко-значная вероятностная логика с операцией min, - М., ВЦ при РАН, Сообщения по прикладной математике, 1995г.

3. Нгуен Минь Хай, Модель нечетко-значной вероятностной логики в интеллектуальных системах, - М., ВЦ при РАН, Докторская    диссертация, 1995г.

4. Фам Куок Куан, Развитие теории эффективности систем кондиционирования микроклимата здания и её применение в промышленной вентиляции, обеспечивающей условия труда и защиты воздушного бассейна в условиях Вьетнама, - М., МГСУ, Докторская диссертация, 1997г.

5. Р.А. Шубин, Надёжность технических систем и техногенный рис: учебное пособие/Р.А.Шубин. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012г., 80 стр., 50 экз. – ISBN 978-5-8265-1086-5.

VSTT. TSKH. Phạm Quốc Quân1,

PGS. TSKH. Trần Mạnh Liểu2

1. Viện KH An toàn và Vệ sinh lao động

2. Trường Đại học Quốc gia Hà nội

(Tạp chí HĐKHCN An toàn - Sức khỏe và Môi trường lao động - Số 1,2&3/2019)

(Nguồn tin: Vnniosh.vn)