МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені адмірала Макарова

Фаріонова Тетяна Анатоліївна

УДК 629.5.01:629.067

ІМОВІРНІСНІ МЕТОДИ ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ

КОЛЕКТИВНОГО РЯТУВАННЯ НА СУДНАХ

05. 08. 03 – Механіка та конструювання суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Миколаїв – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Бугаєнко Борис Андрійович,

Український державний морський технічний університет
імені адмірала Макарова,
професор кафедри

Офіційні опоненти: д-р техн. наук, професор
Жуков Юрій Данилович,
Український державний морський технічний університет
імені адмірала Макарова, завідувач кафедри морського приладобудування;

канд. техн. наук
Єгоров Геннадій В’ячеславович,
Морське інженерне бюро, м. Одеса, генеральний директор.

Провідна установа – Одеський національний морський університет
Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “21” квітня 2003 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д38.060.01 Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

Автореферат розісланий “15” березня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради

д-р, техн. наук, професор С.С. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Конструювання суден безпосередньо пов'язане із забезпеченням безпеки людини на морі. Це є багатогранною проблемою і містить у собі поряд з іншими важливими напрямками проектування технічних засобів для рятувальних операцій за допомогою пристроїв колективного рятування. Останнє передбачає проектну розробку як рятувального пристрою в цілому (комплектація, розміщення на судні), так і розробку елементів, які є складовими пристроїв (шлюпок плотів, спускових пристроїв різноманітних типів тощо). При цьому проектанти використовують як традиційні методи розрахунків, що спираються на дослідження корабельних дисциплін, так і нові. Серед них особливе місце займають імовірнісні, що найбільш повно відображають специфіку функціонування суднових рятувальних пристроїв в умовах експлуатації.

На даний час вимоги Міжнародної конвенції щодо охорони людського життя на морі (СОЛАС) і норми національних класифікаційних правил регламентують необхідний склад і кількість колективних рятувальних засобів, відповідно до призначення, району плавання суден тощо. Однак вони залишають широкий вибір для суднобудівників і судновласників стосовно типу рятувальних засобів і їх можливих комбінацій (шлюпки різноманітних типів, шлюпки і плоти тощо). При цьому ні конвенційні, ні класифікаційні вимоги не дають апарату для числової оцінки ефективності використання того чи іншого рятувального засобу.

Сучасний досвід оцінки ефективності використання засобів колективного рятування накопичено рядом вчених протягом останніх 20 – 30 років. Великий внесок зробили М.Н. Александров (основоположник вітчизняної теорії безпеки людини на морі), Б.А. Бугаєнко (імовірнісна оцінка проведення рятувальних операцій), Є.Г. Пасютін (розрахунок ефективності гравітаційних шлюпбалок), В.Д. Чеховський (розрахунок спуску рятувальних засобів на хвилюванні), Шрекенбеккер (імовірнісне моделювання проведення рятувальних операцій із суден). Проте ці дослідження містять лише числові оцінки окремих складових процесу евакуації.

Разом з тим необхідний комплексний підхід щодо оцінки всіх складових процесу рятування. При традиційному підході ця проблема вимагає величезної аналітичної обробки статистичного матеріалу з аварійності флоту, взаємозалежних зусиль фахівців класифікаційних організацій, проектувальників рятувального обладнання, рятувальних служб тощо.

Тому доцільно відокремити складові процесу рятування як модулі загальної проблеми безпеки на море. Ці складові залежать від впливу багатьох факторів, які мають випадковий характер. Тому актуальною є проблема розробки ймовірнісного методу проектування на базі оцінки ефективності використання колективних рятувальних засобів на суднах.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана у рамках державної наукової програми з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 1999–2003 роки за напрямком "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" – "Підвищення ефективності та довговічності машин і конструкцій". Результати роботи використовувалися у НДР № 0100U001907.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток імовірнісних методів проектування пристроїв колективного рятування в частині конкретних розрахункових процедур визначення ймовірності успішного залишення судна та розробки на базі цього критеріїв для прийняття рішення про оптимальний склад колективних рятувальних засобів, оцінці їх ефективності для різних типів суден (морських технічних споруд) як основи забезпечення заданої ймовірності рятування при конструюванні окремих елементів колективних рятувальних пристроїв та всього рятувального пристрою судна в цілому.

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:

- визначення основної формальної структури прийняття рішень про комплектацію колективними рятувальними засобами при проектуванні, переобладнанні суден та морських технічних споруд, обґрунтування типорозмірних рядів для виробників рятувальних засобів, розробка загальної схеми розрахунку ймовірності успішного проведення окремих складових процесу рятування;

- розробка математичної моделі визначення розрахункової оцінки імовірності успішного залишення судна за допомогою колективних рятувальних засобів, що містить у собі наступні етапи: визначення закону розподілу часу збору і посадки людей у колективний засіб рятування, розрахунок імовірності безвідмовної роботи й основних показників надійності спускових пристроїв, розрахунок імовірності успішного спуску колективних рятувальних засобів, оцінка імовірності успішного відплиття засобів колективного рятування на безпечну відстань;

- формування оцінювальної функції з урахуванням імовірності успішної евакуації, масогабаритних показників та вартості колективних рятувальних засобів та інших параметрів; обґрунтування вибору критеріїв для оптимізації оцінювальної функції з урахуванням ризику;

- розробка конкретних проектних процедур імовірнісних методів розрахунку надійності спускових пристроїв, вибору типу і складу колективних рятувальних засобів для різноманітних типів суден на базі запропонованої математичної моделі.

Об'єкт дослідження – проектування суднових рятувальних пристроїв.

Предмет дослідження – імовірнісні методи проектування пристроїв колективного рятування на суднах.

Методи дослідження. Використано методи теорії ймовірності та масового обслуговування для дослідження законів розподілу ймовірності успішної евакуації за допомогою засобів колективного рятування, методи теорії надійності для розрахунку безвідмовної роботи спускових пристроїв, методи теорії прийняття технічних рішень для формування математичної моделі задачі про оптимальний склад колективних рятувальних засобів та вирішення її на базі класичних і похідних критеріїв теорії прийняття технічних рішень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- створено концепцію, яка, враховуючи механіку поведінки судна, колективних рятувальних засобів і пристроїв для їх спуску, узагальнює та розвиває розбивку процесу евакуації на окремі етапи, для яких удосконалені розрахункові схеми оцінки імовірності проведення кожного з них та математична модель розрахунку послідовності проведення всіх етапів в загальній схемі евакуації, методи розрахункової оцінки ймовірності безвідмовної роботи спускових пристроїв. Вперше якісні оцінки проведення кожного з етапів евакуації були замінені на кількісні, для чого розроблено відповідний математичний апарат, у тому числі й для розрахунку надійності спускових пристроїв;

- доопрацьовано метод теорії прийняття технічних рішень та поширено на новий клас систем – колективні рятувальні засоби морських суден (морських технічних споруд) – зі створення поля проектних рішень, що розглядаються, з урахуванням зовнішніх умов і варіантів комплектації рятувальними засобами того чи іншого типу. Для обробки матриці використовувались критерії теорії прийняття технічних рішень, які враховують невизначеність. Вперше запропоновано як аварійні випадки, так типи суден тощо інтерпретувати як зовнішні умови, а комплектацію суден (морських технічних споруд) рятувальними засобами та пристроями для їх спуску – як варіанти технічних рішень;

- розроблено новий вид оцінювальної функції для колективних рятувальних засобів, в основу якого покладено відношення імовірності успішного проведення евакуації до вартості та масогабаритних показників рятувальних засобів. Вперше запропоновано розглядати оцінювальну функцію з урахуванням імовірнісних факторів проведення евакуації та масогабаритних показників рятувальних засобів і їх вартості; вперше запропоновано числовий апарат оцінки ризику для життя людини при проведенні евакуації за допомогою колективних засобів рятування та одержано числові оцінки ризику для окремих випадків.

Наукове значення мають наступні результати роботи:

- математична модель оцінки ефективності застосування засобів колективного рятування на базі класичної теорії прийняття рішень;

- математична модель проведення евакуації з суден та морських технічних споруд з урахуванням імовірнісного впливу її складових;

- залежність впливу часу експлуатації спускових пристроїв колективних рятувальних засобів на показники їх надійності.

Практичну цінність мають:

- проектна методика розрахунку надійності спускових пристроїв колективних рятувальних засобів;

- імовірнісні закони розподілу часу проведення складових частин та в цілому операції залишення судна, які отримані в результаті виконання числового експерименту з оцінки ефективності використання рятувальних засобів;

- методика розрахунку ризику при використанні засобів колективного рятування з суден та морських технічних споруд;

- проектна методика розрахунку ефективності використання рятувальних засобів на суднах.

Методика "Розрахунок ефективності використання рятувальних засобів на суднах" (УКФА 360041-001), розроблена на основі виконаних досліджень, може бути використана в практиці конструкторських бюро, суднобудівних підприємств, класифікаційних товариств при виборі оптимального складу засобів колективного рятування як на стадії проектування, так і на етапі переобладнання судна. Крім того, за допомогою розробленої методики можна оцінити рівень ефективності засобів рятування на суднах, що вже експлуатуються, і порівняти їх безпеку з допустимим рівнем ризику, встановленим для технічних систем.

Результати дослідження у формі методики "Розрахунок ефективності використання рятувальних засобів на суднах" (УКФА 360041-001) впроваджені у наступних організаціях: Державне підприємство "Суднобудівний завод ім. 61 комунара" (м. Миколаїв), Державна акціонерна холдингова компанія "Чорноморський суднобудівний завод" (м. Миколаїв), Відкрите акціонерне товариство "Феодосійська суднобудівна компанія "Море" (м. Феодосія), Відкрите акціонерне товариство "Центральне конструкторське бюро "Шхуна" (м. Київ). Використання результатів роботи у зазначених організаціях підтверджується відповідними документами.

Застосування методики дозволяє якісно поліпшити процес вибору засобів колективного рятування з урахуванням їх тактико-технічних характеристик і економічних показників, а також з погляду забезпечення мінімізації ризику для людського життя при проведенні евакуації.

Окремі результати роботи використовуються у навчальному процесі Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова (м. Миколаїв).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці математичної моделі оцінки ймовірності успішної евакуації з використанням засобів колективного рятування; обґрунтуванні застосовності критеріїв ухвалення технічного рішення для вибору кращого складу засобів колективного рятування на суднах і морських технічних спорудженнях; розробці методики і програмного забезпечення для розрахунку ефективності використання рятувальних засобів на суднах.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Українського державного морського технічного університету (1997 – 2002 рр.); Міжнародному науково-практичному симпозіумі "Проблеми суднобудування: стан, ідеї і рішення" (м. Миколаїв, 1997 р.); Міжнародної науково-технічної конференції "Безпека мореплавання та її забезпечення при проектуванні і побудові суден" (м. Миколаїв, 2001 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано у семи статтях, отримано деклараційні патенти на винаходи № 39812А та № 45638А "Пристрій для рятування з висотних інженерних споруд", патент України на винахід № 39812 "Пристрій для рятування з висотних інженерних споруд".

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів і висновків. У додатках наведені пояснювальні матеріали, які не ввійшли до основного змісту роботи, тексти програм для ПЕОМ, документи, що підтверджують впровадження основних результатів дослідження.

Обсяг дисертації складає 153 сторінки машинописного тексту та 103 сторінки додатків, 38 рисунків і 24 таблиці. Бібліографія містить 61 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовано мету та задачі дослідження, розкрито наукову новизну та практичну цінність роботи, перелічено основні результати, що виносяться на захист.

У першому розділі подано загальну характеристику проблеми безпеки на морі і визначено значення суднових пристроїв колективного рятування у її рішенні, розглянуто існуючі методи їх проектування

При розгляді проблеми безпеки в цілому на транспорті відзначено, що ризик для життя людини характерний для будь-якого засобу пересування. Проте тільки на водному транспорті для рятування людей застосовуються засоби колективного рятування. Це обумовлено особливістю ситуації, що відрізняє аварії морських суден (морських технічних споруд) від аварій наземних і повітряних транспортних засобів. Завдяки значним розмірам морських суден, запасу їх водотоннажності, особливостями навколишнього середовища в більшості випадків існує досить тривалий проміжок часу від моменту виникнення критичної ситуації до остаточної загибелі судна. За цей період людям може бути надана допомога з використанням як власних засобів рятування, так і засобів інших суден і берегових рятувальних станціях.

Відповідно до конвенційних вимог і вимог національних класифікаційних організацій, усі судна повинні бути укомплектовані колективними рятувальними пристроями. За останні два десятиріччя значна увага приділялася удосконаленню суднових рятувальних пристроїв. Це обумовлено, з одного боку, вимогами щодо забезпечення охорони людського життя на морі, що зросли, а з іншого – появою нових ідей і конкретних технічних рішень у цій області. Зміни і доповнення до Конвенції СОЛАС 1983 і 1995 років дозволяють застосовувати для рятування людей із суден і морських технічних споруд нові нетрадиційні засоби колективного рятування, вимагаючи, щоб вони забезпечували рівень захисту людей, що рятуються, не менший ніж конвенційні засоби.

Успіх рятувальної операції залежить від багатьох факторів: своєчасності подачі сигналу біди, ступеню спеціальної підготовки екіпажу, надійної та ефективної роботи рятувальних засобів і пристроїв для їх спуску, належної організації робіт берегової рятувальної служби з використанням засобів авіації для виявлення потерпілих, надання їм допомоги тощо.

Однак, не принижуючи ролі всіх етапів рятувальної операції, слід зазначити, що саме перший етап – евакуація людей із судна, що гине – є найбільш відповідальним і складним. Це пов'язано з різноманіттям аварійних ситуацій, специфічними умовами проходження аварій суден різних типів і розмірів, різноманітністю рятувальних засобів, зовнішніми умовами, що швидко змінюються.

Тому основними напрямками цього дослідження є аналіз всіх елементів, які входять в операцію з евакуації людей із судна, що гине, розробка математичної моделі процесу евакуації, обґрунтування критеріїв і на цій основі розробка методики визначення оптимального варіанту складу рятувального пристрою. Вибір варіанту рятувального обладнання для судна зараз здійснюється згідно з вимогами класифікаційних організацій щодо конвенційного обладнання і пропозицій заводів-виробників цього обладнання. Задоволення вимог класифікаційних організацій не означає автоматичний вибір найбільш ефективного варіанту. Це тим більш стосується до впровадження пристроїв нових типів, створення яких характерне для останніх десятиріч. Тому розробка методу числової оцінки ефективності евакуації за допомогою колективних рятувальних засобів є актуальною.

Успішне залишення людьми аварійного судна залежить від низки факторів: часу збору, посадки людей у колективні рятувальні засоби, часу спуску цих засобів на воду, безвідмовної роботи спускових пристроїв під час спуску і часу наростання нахилень аварійного судна до значень крену і диференту, при яких робота спускових пристроїв неможлива. Необхідне співвідношення між сумарним часом збору, посадки людей у колективні засоби рятування, спуску і відплиття від судна, з одного боку, і часу наростання нахилень судна в аварійних умовах, при яких можливо успішне залишення судна людьми – з іншого таке, що перше повинно бути менше другого.

Кожна з цих величин залежить від великої кількості важко передбачуваних факторів і є випадковою величиною. Тому при визначенні успіху першого етапу рятувальної операції ми будемо оперувати поняттям імовірності (у визначенні якої відразу закладений можливий фактор ризику) успішного залишення судна людьми.

Метою роботи є розробка конкретних проектних розрахункових процедур визначення ймовірності успішного залишення судна та розробка на базі цього критеріїв для ухвалення рішення про оптимальний склад колективних рятувальних засобів, оцінка їх ефективності для різних типів суден (морських технічних споруд) як основи забезпечення заданої ймовірності рятування при конструюванні окремих елементів колективних рятувальних пристроїв та всього рятувального пристрою судна в цілому.

У другому розділі розглянуто основні методи прийняття рішень, визначено місце пропонованого підходу в сукупності основних методів теорії прийняття технічних рішень і його практичне застосування до аналізу ефективності колективних рятувальних засобів.

Прийняття рішення являє собою вибір одного з деякої сукупності розглянутих варіантів: . У загальному випадку кількість варіантів нескінченна. Однак на практиці ми маємо справу з обмеженою кількістю варіантів.

Кожному допустимому варіанту рішення внаслідок різних зовнішніх умов можуть відповідати різні зовнішні стани і результати рішень. Сімейство рішень описується матрицею.

Під результатом рішення вважають кількісну оцінку, яка відповідає варіанту й умовам і характеризує економічний ефект (прибуток), корисність, надійність, безпеку тощо. Такий результат називають корисністю рішення. Щоб прийти до однозначного і за можливістю найкращому варіанту рішення, коли деяким варіантам рішень можуть відповідати різні зовнішні умови , необхідно розглянути всю сукупність оцінок . Для цього вводять поняття оцінювальної (цільової) функції. Задача оцінної функції – охарактеризувати за допомогою одного чисельного значення усі можливі наслідки рішення . При цьому матриця рішень зводиться до одного стовпця, а процес ухвалення рішення – до пошуку варіанту з найбільшим значенням результату .

Вибір оптимального варіанту здійснюється за допомогою класичних і похідних критеріїв теорії прийняття технічних рішень: мінімаксного (ММ), Байєса-Лапласа (BL), Севіджа (S), Гурвиця (HW), Ходжа-Лемана (HL), Гермейєра (G), BL (MM)-критерію, добутку (Р):

Той варіант, що вибирається відповідно до більшості критеріїв, і є варіантом, який відшукується.

Відносно проблеми колективних рятувальних засобів варіанти рішення можуть формуватися як різні випадки сполучення засобів колективного рятування. Під зовнішніми умовами розуміють ситуації, при яких виникає необхідність використовувати засоби колективного рятування за прямим призначенням. Це насамперед аварійні ситуації, що приводять до загибелі судна. Під результатом рішення розуміють кількісну оцінку корисності варіанту рішення при розглянутих зовнішніх умовах. У даному випадку – це успішне проведення евакуації з аварійного судна з використанням засобів колективного рятування.

Під кількісною оцінкою слід приймати ймовірність успішного проведення всієї евакуації або її складових частин, що входять у загальну інтегральну схему. Недоліком використання як результату лише ймовірнісного параметра, обумовлене тим, що при цьому не враховуються економічні витрати на досягнення цієї мети. Крім того, часто на суднах (пасажирських, риболовецьких) визначальними параметрами є масогабаритні показники засобів колективного рятування.

Тому вибір функції для оцінки варіанту рішення є досить складним, а її вид багато в чому залежить від конкретного випадку:

=,

де Р – імовірнісний параметр, W – вартісний параметр, m ,L, B, T – масогабаритні показники.

Колективні рятувальні засоби встановлюються на судно в процесі побудови або модернізації. Тому ще на стадії проектування виникає ситуація, пов'язана з необхідністю прийняття рішень. При цьому можуть розглядатися два випадки: для конкретного судна і для будівельної серії суден. При виборі рятувальних засобів на першому етапі необхідно задовольнити вимоги Регістра. Вимоги ці допускають відносну свободу вибору типу колективних засобів рятування і пристроїв для їх спуску традиційного типу. Крім того, можливе застосування нових альтернативних нетрадиційних конструкцій і способів. Аналогічна ситуація складається і при модернізації. У цих випадках ефективність колективних рятувальних засобів повинна бути співвіднесена до одного чи ряду суден одних розмірів.

Дещо інакше виглядає ситуація при розробці рятувального обладнання фірмою-виготовлювачем. Тут ставиться питання про стандартизацію й уніфікацію рятувальних засобів і спускових пристроїв з метою встановлення їх на судна різноманітного розміру і призначення. При цьому ефективність цих засобів повинна бути максимальною, а витрати (за можливістю) мінімізованими. У цьому випадку рятувальні засоби, як предмет суднової техніки, можна розглянути на суднах різноманітних розмірів і призначень і узагальнити шляхом обробки матриці другого порядку, де як результати будуть виступати оцінки попереднього етапу для окремих типів суден.

З цього слід зробити висновок, що первісним виступає розв’язання питання щодо судна конкретного призначення і розміру.

Накопичений статистичний матеріал про умови загибелі суден різноманітного призначення в залежності від розміру, віку дозволяє як зовнішні умови виділити категорії аварій: посадки на ґрунт, пожежі, вибухи, зіткнення, перекидання. Однак для нетрадиційного типу судна через недостатність інформаційного матеріалу матриця рішень може бути виродженою, а прийняття рішення звестися до простого перебирання варіантів.

Відповідь на питання про кількість реалізацій рішення полягає в тому, що рішення реалізується іноді одноразово, а іноді багаторазово.

Питання вибору рівня допустимого ризику для людського життя, а тим більше з урахуванням економічних витрат, не просте. З ним зустрічаються в усіх областях техніки. На нього впливає як готовність сучасного суспільства погодитися з тим чи іншим рівнем ризику загибелі людини, так і економічні показники заходів щодо його зниження. За даними оцінок закордонних і вітчизняних фахівців з цього питання рівень допустимого ризику можна прийняти на рівні 10-7...10-6 люд/рік.

Третій розділ присвячений розробці загальної інтегральної схеми розрахунку ймовірності успішної евакуації з аварійного судна, а також імовірності здійснення її окремих етапів, визначенню рівня ризику при проведенні рятувальної операції.

Наведено загальну схему розрахунку ймовірності успішної евакуації. Кількісною оцінкою даного етапу є його ймовірність Рэ. Оскільки події, що є складовими частинами процесу евакуації, незалежні, то Рэ являє собою добуток імовірностей подій його складових:

Рэ = Р1Р2Р3Р4(1-Р5)Р6Р7,

де Р1 – імовірність спрацьовування системи оповіщення; Р2 – імовірність того, що час нахилення аварійного судна до кута, який обмежує можливість роботи спускового пристрою (Т), не перевищить час збору, посадки і спуска людей у колективних рятувальних засобах та їх відплиття на безпечну відстань (Тэв):Т Тэв; Р3 – імовірність безвідмовної роботи спускового пристрою; Р4 – наявність сприятливого режиму хвилювання; Р5 – імовірність руйнування шлюпки в результаті удару об борт судна (даний фактор необхідно враховувати тільки у випадку використання при евакуації рятувальних шлюпок, що спускаються,); Р6 – імовірність успішного переходу в плоти скидного типу (даний фактор необхідно враховувати при використанні плотів); Р7 – імовірність операції збору, посадки людей, спуска і відплиття на безпечну відстань засобу колективного рятування.

Детальному розгляду величин Р2, Р3, Р5, Р7 присвячені дослідження розділу 3.

На основі положень теорії масового обслуговування і специфіки проведення операції збору і посадки людей у засоби колективного рятування був отриманий закон розподілу часу збору і посадки людей Тсб+п як функції часу збору tсб:

де – інтенсивність обслуговування (щільність потоку обслуговування), наприклад, посадки людей у колективний рятувальний засіб за одиницю часу; n – кількість каналів обслуговування (наприклад, люків у рятувальній шлюпці, через які проводиться посадка); Nв – кількість людей, приписаних до колективного рятувального засобу, tсб – час збору всієї кількості людей Nв, приписаних до рятувального засобу.

Оскільки аргумент tсб являє собою випадкову величину, розподілену за нормальним законом з параметрами (математичне очікування часу збору людей, що лінійно залежить від довжини судна) і (середньоквадратичне відхилення часу збору, яке лінійно залежить від кількості людей, що знаходяться на судні), то для опису закону розподілу випадкової величини був використаний нормальний закон, а загальний вид щільності розподілу часу збору і посадки людей у колективні засоби рятування f(tсб +п) визначений автором на основі положень теорії ймовірності і теорії масового обслуговування. Він має такий вигляд:

де – нормуючий коефіцієнт - , що знаходиться з умови:

На основі теоретичних викладок автором були виконані розрахунки ймовірності збору і посадки людей для ряду пасажирських і вантажних суден з використанням різних колективних рятувальних засобів, що дозволяє використовувати отримані результати в проектній практиці.

Розглянуто питання надійності спускових пристроїв колективних рятувальних засобів. З урахуванням особливостей їх роботи в суднових умовах була розроблена методика визначення ймовірності безвідмовної роботи спускових пристроїв (P (t)) протягом часу експлуатації:

P (t) = exp (-t ), (1)

де - сумарна інтенсивність відмов елементів спускового пристрою в режимах роботи і очікування; t – час експлуатації спускового пристрою, година.

На основі результатів досліджень був виконаний розрахунок надійності спускових пристроїв різного типу з урахуванням часу їх роботи (чотиришарнірної гравітаційної шлюпбалки і пристрою для спуску методом вільного падіння) (табл.1).

Таблиця 1

Показники ймовірності безвідмовної роботи спускових пристроїв

ІМОВІРНІСТЬ БЕЗВІДМОВНОЇ РОБОТИ ПРИСТРОЮ

Час екс-плуатації, рік | Тип пристрою

чотиришарнірна гравітаційна шлюпбалка | пристрій для спуску методом вільного падіння

0,5 | 0,9940 | 0,9982

1,0 | 0,9879 | 0,9965

5,0 | 0,9411 | 0,9825

10,0 | 0,8857 | 0,9654

20,0 | 0,7920 | 0,9342

За результатами розрахунку був зроблений висновок про пріоритетне використання пристроїв для спуску методом вільного падіння, оскільки пристрій для спуску колективних рятувальних засобів методом вільного падіння має більш високі показники надійності. Так, за 20-літній експлуатаційний період імовірність його безвідмовної роботи на 15% вище, ніж у гравітаційних шлюпбалок. Це свідчить про доцільність його широкого застосування на морських транспортних суднах, його використання істотно знижує ризик загибелі людей при проведенні евакуації з аварійного судна.

Запропоновано схему розрахунку імовірності безвідмовної роботи комплектів спускових пристроїв для випадку, коли для рятування всієї кількості людей на судні необхідне використання п-ої кількості однотипних рятувальних засобів (наприклад, спускові пристрої для пасажирських суден або пристрої для спуску шлюпок одного борта на вантажних суднах). У цьому випадку ймовірність безвідмовної роботи ряду пристроїв визначається за формулою для послідовно з'єднаних елементів :

,

де l – кількість спускових пристроїв, що мають послідовне з'єднання; Р1су – імовірність безвідмовної роботи одного спускового пристрою, розрахована за формулою (1).

На вантажних суднах місцями в рятувальних шлюпках кожного борту повинні бути забезпечені всі люди Тому при аваріях, які супроводжуються нахиленням судна, що не перевищує граничних кутів роботи спускових пристроїв, їх роботу можна розглядати як роботу системи з рівнобіжним з'єднанням елементів. Імовірність безвідмовної роботи цієї системи визначається за формулою:

,

де s – число рівнобіжно з'єднаних спускових пристроїв.

Отримано закон розподілу щільності імовірності часу успішного проведення операції збору, посадки людей і спуску засобів колективного рятування. Він має вигляд:

де tсп – час спуску рятувального засобу.

На основі імовірнісного моделювання досліджена задача про можливість руйнування корпусу рятувальної шлюпки в результаті її удару о борт судна від його хитавиці.

Імовірність попадання максимальної швидкості розгойдування у діапазон від 0 до 3,5 м/с (швидкість співударяння регламентована Регістром) складає 0,9999. Розрахункові дані показали, що ймовірність того, що шлюпка не зруйнується в процесі її спуска при хитавиці судна (Р5) можна прийняти рівною одиниці, оскільки максимальна швидкість розгойдування не перевищить максимальної швидкості зіткнення, регламентованої нормами Регістру.

Однак слід зазначити, що питання про достатність нормативних вимог для випробувань рятувальних шлюпок вимагає додаткового дослідження.

Уперше зроблена оцінка ймовірності успішного відплиття колективних рятувальних засобів на безпечну відстань від аварійного судна (порівнянне з його довжиною). Отримано закон розподілу щільності імовірності часу відходу:

,

де tотх – середнє квадратичне відхилення часу відходу шлюпки від судна, mtотх – математичне очікування часу відходу, розраховані за формулами:

де vср = 0,5vmax (для рятувальних шлюпок vmax = 6 вузлів = 3,08 м/с, vср = 1,54 м/с, для рятувальних плотів, що буксируються vmax = 2 вузли = 1,03 м/с, vср = 0,51 м/с).

Для рятувальних шлюпок ,

.

Для рятувальних плотів ,

Подано порівняльний аналіз щільності розподілу часу відплиття з використанням різних засобів колективного рятування, результати якого можна використовувати в практичних цілях.

Отримано закон щільності розподілу часу залишення судна за допомогою колективних рятувальних засобів. Щільність розподілу величини часу залишення судна Тэв має вигляд:

,

де МОэв – математичне очікування і СКОэв – середнє квадратичне відхилення часу збору, посадки, спуску і відплиття, отримані на підставі положення про незалежність подій (часу збору, посадки, спуску і часу відплиття):

Уперше запропоновано розрахункову методику з оцінки ризику при проведенні евакуації з аварійного судна. Ця методика основана на порівняльному ризику загибелі однієї людини за один рік (ri), який визначається за формулою повної імовірності події:

,

де – імовірність загибелі однієї людини за один рік при аварії, що відповідає зовнішньому стану Fj; п – кількість розглянутих аварійних станів з рівнем умовно виправданого ризику, встановленого для технічних систем:

.

Тут rv = 10-8 (люд/рік) – значення виправданого ризику з великим безпечним проміжком, ru = 10-5 (люд/рік) – невиправданий ризик.

У четвертому розділі представлено проектну методику для оцінки ефективності засобів колективного рятування, що базується на узагальненні матеріалу попередніх розділів. Наведено числові приклади розрахунку ефективності використання рятувального обладнання з урахуванням інтересів сторін, що займаються виготовленням рятувального обладнання, проектуванням і побудовою суден, здійсненням наглядової діяльності за побудовою й експлуатацією суден.

На основі методики, запропонованої в дослідженні, був проведений порівняльний аналіз ефективності використання рятувальних шлюпок місткістю 150 і 96 осіб для ряду пасажирських суден.

Одержання чиселової оцінки представлене наступною схемою (рис.1). Розглядаються можливі варіанти комплектації судна колективними рятувальними засобами. Формується матриця рішень, потім за допомогою критеріїв теорії прийняття технічних рішень (одного чи сукупності) вибирається найбільш прийнятний варіант комплектації судна засобами колективного рятування.

Для вибору кращого варіанта була використана оцінювальна функція:

, (2)

де MGсу – масогабаритні показники рятувального пристрою, Pij – імовірність успішної евакуації з використанням i-го типу рятувальної шлюпки на j-му судні:

Графіки розподілу імовірностей успішного залишення судна з використанням рятувальних шлюпок різної пасажиромісткості наведені на рис. 2.

Аналіз надійності комплектів шлюпбалок суден показав, що зі збільшенням кількості спускових пристроїв значно знижується ймовірність успішної роботи всього комплекту, що підтверджується числовими оцінками. Для розв'язання протиріччя були застосовані методи теорії прийняття технічних рішень і сформована матриця для вибору кращого варіанту рятувального обладнання (табл.2).

Після обробки матриці критеріями, розглянутими в розділі 2, як кращий варіант був обраний варіант комплектації ряду суден рятувальними шлюпками місткістю 96 осіб. Рівень ризику при використанні рятувальних шлюпок обох типів знаходиться в межах допустимого для технічних систем і складає 10-8...10-7 люд/рік.

Таблиця 2

Матриця рішень для вибору оптимальної пасажиромісткості
рятувальних шлюпок пасажирських суден

F1 | F2 | F3 | F4 | F5

Е1 | 5,51801·10-6 | 2,9744·10-6 | 2,5232·10-6 | 9,55437·10-7 | 8,19094·10-6

Е2 | 6,11096·10-6 | 2,6451·10-6 | 2,2262·10-6 | 1,22166·10-6 | 7,88981·10-6

Вперше виконане дослідження з використанням імовірнісних і критеріальних методів теорії прийняття технічних рішень для вибору типу рятувального засобу вантажного судна: рятувальної шлюпки спускного типу або шлюпки вільного падіння.

Аналіз використання рятувальних шлюпок різних типів рятувальних шлюпок (скидних і спускних) був виконаний на прикладі вантажного судна танкера-продуктовоза дедвейтом 39300/45000 т (табл. 3).

Згідно з теорією прийняття рішень кожному варіанту рішення Еі (якими є типи рятувальних засобів, що розглядаються) відповідають різні зовнішні умови FJ (аварійні ситуації). Для розглянутої задачі скористаємося наступними умовами:

- F1 – нахил судна до граничного кута , при якому можлива робота шлюпбалок обох бортів (несиметричне затоплення);

- F2 – нахил судна до кута , при якому неможлива робота шлюпбалок антикренового борту (несиметричне затоплення);

- F3 – поява негативної остійності (симетричне затоплення).

Закони розподілу описаних вище випадків вважаються відомими.

Таблиця 3

Основні характеристики рятувальних шлюпок

Тип | Кількість, шт | Місткість, осіб | Розміри | Маса, кг | L, м | B, м | H, м | порож-нем | макси-мальна | Спускна Watercraft2 | 36 | 7,364 | 2,25 | 2,275 | 3120 | 5820 | Скидна

Harding1 | 40 | 11,4 | 2,46 | 3,04 | 6500 | 9500 | Для формування виду оцінювальної функції при складанні матриці рішень використовували наступну залежність:

,

де ; тсш і тсу відповідно маси рятувальної шлюпки (порожнем) і спускового пристрою; Sпал – площа палуби, яка зайнята всіма спусковими пристроями рятувальних шлюпок, що є на судні; W – витрати, пов'язані з придбанням і установкою рятувального обладнання (можна опустити, прийнявши припущення про те, що вартість двох комплектів пристроїв і шлюпок спускного типу приблизно дорівнює вартості пристрою скидного типу. Імовірність операцій збору, посадки людей у засіб колективного рятування, а також його спуску і відплиття на безпечну відстань (Р7) і величина Р2 визначалася для 9 хвилин евакуації (тому що класифікаційні вимоги нормують час проведення евакуації з аварійного судна – не більше 10 хвилин).

Остаточно матриця рішень для вибору кращого варіанту наведена у табл. 4.

Для вибору кращого рятувального засобу були використані критерії, розглянуті в розділі 2.

Імовірність появи зовнішніх подій Fj – qj прийнята рівною 0,333.

У таблиці 5 проілюстровано вибір кращого варіанту, відповідно до розглянутих критеріїв.

Отримані числові оцінки для танкера-продуктовоза побудови Чорноморського суднобудівного заводу показали, що кращим варіантом (при заданих зовнішніх умовах) є використання рятувальних шлюпок скидного типу.

У результаті досліджень був виконаний порівняльний аналіз рівня ризику при використанні розглянутих рятувальних засобів з рівнем допустимого ризику за десятирічний період експлуатації судна.: для спускної рятувальної шлюпки , для скидної рятувальної шлюпки .

Таблиця 4

Матриця для вибору кращого варіанта

Варіанти рішення | Зовнішні умови

F1 | F2 | F3

Шлюпка спускна (Е1) | 3,51710-4 | 6,510-4 | 4,22110-4Шлюпка скидна (Е2) | 4,53610-48,6810-45,44310-4Таблиця 5

Вибір кращого варіанту рятувального засобу

Варианти рішення | Значення оцінювальної функції (данні в 104) | ММ | BL | S | HW | HL | G | P·108 | Е13,517 | 1,399 | 2,2 | 5,0 | 2,449 | 1,166 | 95,55 | Е24,536 | 1,798 | 0 | 6,6 | 3,141 | 1,499 | 211,41 | Кращий варіант | Е2Е2Е2Е2Е2Е2Е2У такий спосіб порівняльний аналіз рівня ризику при використанні різних типів рятувальних шлюпок показав, що обидва типи мають достатню надійність, згідно з вимогами щодо припустимого ризику, встановленого для технічних систем. Це дозволяє зробити висновок про можливість установки на даному судні рятувальних спускних шлюпок, хоча вони і мають менший ступінь ефективності при використанні їх під час рятувальної операції.

Практичне застосування результатів дисертаційних досліджень, що розвивають імовірнісні методи проектування, знайшло своє відображення в розробці методики "Розрахунок ефективності використання рятувальних засобів на суднах" (УКФА 360041 – 001). Основою методики стали конкретні розрахункові процедури з порівняльної оцінки ефективності використання різних типів рятувальних шлюпок на суднах. Це є суттєво важливим для прийняття рішень в процесі проектування рятувальних пристроїв як для судна в цілому, так і конструювання елементів пристрою.

ВИСНОВКИ

Науковим завданням, розв'язаним в дисертаційній роботі, є розвиток імовірнісних методів проектування суднових пристроїв колективного рятування. Особливості завдання обумовили вибір засобів його рішення, що базуються на застосуванні методів теорії ймовірності і масового обслуговування для формування оцінювальної функції, яка оброблюється апаратом критеріїв теорії прийняття технічних рішень. Призначення дисертаційної роботи – створення конкретних розрахункових процедур (проектної методики) визначення ймовірності успішного залишення судна та розробка на базі цього критеріїв для прийняття рішення про оптимальний склад колективних рятувальних засобів, оцінка їх ефективності для різних типів суден (морських технічних споруд) як основи забезпечення заданої ймовірності рятування при конструюванні окремих елементів колективних рятувальних пристроїв та всього рятувального пристрою судна в цілому.

Результати роботи дають підставу зробити наступні висновки:

1. На основі комплексного аналізу існуючих методів проектування суднових рятувальних пристроїв, бібліографічних джерел і нормативних документів сформульовано висновки про необхідність розробки імовірнісних методів проектування пристроїв колективного рятування для одержання кількісної оцінки ефективності їх використання на суднах.

2. Досліджено питання застосування основної формальної структури прийняття технічних рішень при проектуванні, переобладнанні суден та морських технічних споруд. Сформульовано особливості ситуацій прийняття рішень, пов'язаних з ефективнісною оцінкою засобів колективного рятування. Розроблено схему формування виду оцінювальної функції для оцінки рятувальних засобів при проектуванні.

3. Детально досліджено питання, що охоплюють основну специфіку ймовірності успішної евакуації людей з аварійного судна за допомогою суднових колективних рятувальних пристроїв:

- визначено загальну схему ймовірності успішної евакуації людей з аварійного судна;

- розроблено проектну методику розрахункової оцінки ймовірності успішного залишення судна;

- отримано імовірнісні закони успішного проведення збору і посадки людей у засоби колективного рятування, спуску і відплиття їх на безпечну відстань від аварійного судна;

- запропоновано проектну методику дослідження ймовірності можливого руйнування корпусу рятувальної спускної шлюпки о борт судна від його хитавиці;

- розроблено проектні розрахункові процедури для аналізу надійності суднових спускових пристроїв засобів колективного рятування;

- показано, що в суднових умовах зі зростанням терміну експлуатації найбільш надійними є пристрої, що забезпечують спуск шлюпок методом вільного падіння;

- запропоновано розрахункову схему визначення рівня ризику для життя людини при проведенні евакуації з аварійного судна з використанням колективних рятувальних пристроїв.

4 Результати теоретичних досліджень були застосовані для аналізу ефективності використання шлюпок різної пасажиромісткості на пасажирських суднах. Отримано числову оцінку обґрунтованості пріоритетного використання на суднах цього типу шлюпок меншої місткості як з погляду ймовірності проведення успішної евакуації, так і з погляду задоволення рівню допустимого ризику, встановленого для технічних систем. Розрахункові оцінки показали, що використання рятувальних шлюпок максимальної місткості (що передбачено конвенційними та класифікаційними вимогами) також відповідає рівню допустимого ризику, встановленого для технічних систем.

5. Аналогічна оцінка була проведена для