Menu

water supply systems

The concept of reliability and safety of the operator’s work in the water supply system

, , , , ,

Wstęp

System zbiorowego zaopatrzenia w wodę (SZZW) to skomplikowany system biotechniczny [1], w którym człowiek występuje w dwojakiej roli. Z jednej strony jest operatorem na różnych szczeblach eksploatacji tego systemu (podsystemów, układów obiektów i elementów). Z drugiej strony występuje w roli konsumenta wody do spożycia. W tym drugim przypadku może być poszkodowany w wyniku różnych zdarzeń niepożądanych, np. spożycie wody o nieodpowiedniej jakości, braku wody, nadzwyczajnych zdarzeń typu katastroficznego (katastrofy, poważne awarie, działania wojenne, akty terrorystyczne, zadziałania psychopaty lub naturalne przypadki losowe np. powódź czy susza) [7,8,9,11,14,15].

Analiza niezawodności i bezpieczeństwa SZZW powinna obejmować aspekt jakościowy, jak również ilościowy. Kompleksowa ocena systemu w tym względzie powinna zawierać analizę techniczno – ekonomiczno – niezawodnościową z uwzględnieniem czynnika ludzkiego. Ten aspekt dotyczy zarówno niezawodności funkcjonowania operatora systemu w różnych warunkach jego eksploatacji, jak również możliwości ataków hackerskich, wandalizmu czy terroryzmu.

Operatorowi SZZW przypisane jest podejmowanie czynności decyzyjnych. Podejmowanie decyzji może zachodzić w następujących sytuacjach [2,6,9,11]: l

  • sytuacje losowe (występuje w nich element niepewności i ryzyko co do wyniku decyzji), 
  • sytuacje zdeterminowane (decyzja podejmowana jest w warunkach pewności wyniku).

Wymiar niepewności związany jest z określonym prawdopodobieństwem wystąpienia danego zdarzenia decyzyjnego. Wymiar dynamiki związany jest ze zmiennością sytuacji w czasie. Im szybciej sytuacja ulega przeobrażeniom w czasie tym większa jest jej dynamika. Wymiar złożoności określony jest przez liczbę zmiennych czynników, które trzeba wziąć pod uwagę przy podejmowaniu decyzji [2,4,6].

Przedmiotem ergonomii jest między innymi badanie relacji pomiędzy człowiekiem a techniką celem doskonalenia i przystosowania techniki do właściwości człowieka [5,13].

Ergonomia bada w/w współdziałanie na podstawie analizy awarii zaistniałych (a posteriori), ale także rozpatruje przypadki awarii z wyprzedzeniem (a priori) poprzez możliwe przebiegi współdziałania i ich skutki. W tym względzie możemy posługiwać się różnymi metodami badawczymi – od bezpośredniej obserwacji po symulację komputerową [11,12,13]. Celem pracy jest przybliżenie pojęć związanych z funkcjonowaniem operatora SZZW. Kwerenda literatury specjalistycznej pozwoliła uporządkować terminologie i zaprezentować metody analizy i oceny funkcjonowania operatora systemów wodociągowych.

Wskaźniki niezawodności pracy operatora

Definicja niezawodności pracy operatora przedstawia się następująco: jest to zdolność do wykonywania powierzonych zadań z minimalnym ryzykiem popełnienia błędu w określonych warunkach, w określonym przedziale czasowym lub w dowolnej chwili czasu [8,9,10,14].

Pomiar niezawodności operatora w pracy z reguły opiera się na danych eksploatacyjnych pochodzących z obserwacji zapisów wszelkiego rodzaju błędów, potknięć, uchybień proceduralnych i usterek w podejmowanych decyzjach. Bardziej pogłębionej analizy można dokonać, modelując i symulując sytuacje nadzwyczajne oraz polecając wykonanie przez operatora najbardziej zagrożonych błędami czynności. Istnieje też możliwość badań niezawodności operatora z wykorzystaniem testów kompetencyjności [11].

 

Table 1. The scale of operator reliability evaluation [8,9,10]
Table 1.
The scale of operator reliability evaluation [8,9,10]

 

Wskaźnik gotowości włączenia się operatora do działania w dowolnej chwili czasu można wyznaczyć [8,9,10,11]:

gdzie:

T – całkowity czas pracy operatora,

To – czas wyłączenia się operatora z pracy; wyłączenie się fizyczne – nieobecność, pozorne – odwrócenie uwagi, zaśnięcie.

Wskaźnik bezbłędności PB jest to prawdopodobieństwo bezbłędnej pracy operatora, które można wyznaczyć dla danej operacji lub ich sekwencji [9,11]:

gdzie:

m – ogólna liczba wykonanych operacji lub ich sekwencji,

n – liczba popełnionych błędów.

Wskaźnik samokontroli i możliwości dokonywania poprawek przez operatora Ps jest to prawdopodobieństwo wyrażone wzorem [8,9,10]:

gdzie:

Pp – prawdopodobieństwo skorygowania błędu przy powtórnym wykonaniu operacji,

Pw – prawdopodobieństwo zauważenia przez operatora sygnału pochodzącego z urządzenia kontrolującego,

Pk – prawdopodobieństwo wysłania sygnału przez urządzenie kontrolujące.

Wskaźnik aktualności Pa wyraża się prawdopodobieństwem wykonania zadania w czasie τ < t [8,9,10,11]:

gdzie:

f(τ) – funkcja gęstości rozkładu czasowego wykonania zadania przez operatora.

Wskaźnik ten uwzględnia fakt, że poprawnie wykonane zadanie, ale wykonane w niewłaściwym czasie, nie prowadzi do celu. Na wykonanie określonych operacji przeznacza się ściśle określony czas, jego przekroczenie jest równoznaczne z popełnieniem błędu. Uwzględniając stan układu operator – system techniczny, wartość prawdopodobieństwa bezwzględnej pracy operatora Pop wynosi [8,9,10,11]:

gdzie:

Pi – prawdopodobieństwo wystąpienia i-tego stanu eksploatacyjnego systemu technicznego,

Piop – prawdopodobieństwo bezbłędnej pracy operatora w i-tym stanie,

n – liczba rozpatrywanych stanów.

Określając niezawodność pracy operatora, można wyróżnić trzy stany sytuacyjne, w których przebiega praca operatora. Różnią się one wymaganiami odnośnie możliwości przetwarzania informacji i podejmowania decyzji przez operatora [11,14,15]:

  • stan optymalny – operator przy poprawnej pracy systemu wykonuje czynności nadzoru bieżących sygnałów oraz dokonuje rutynowych korekt parametrów jego funkcjonowania. Procesy myślowe operatora mają charakter algorytmiczny, można je „nabyć” w wyniku procesów szkoleniowych i praktyki eksploatacyjnej.
  • stan minimalnych obciążeń – występuje w procesie sterowania wysoce zautomatyzowanymi systemami z wykorzystaniem technik komputerowych. 
  • stan maksymalnych obciążeń – praca w tym trybie wymaga twórczego myślenia, poczucia odpowiedzialności za błędy i odroczenia reakcji.

Spełnienie wymagań w tym stanie wymaga wysoko specjalistycznych szkoleń i znajomości scenariuszy sytuacji nadzwyczajnych. Ilościowej oceny niezawodności operatora można dokonać przez porównanie wskaźników w stanach ekstremalnym i optymalnym. Wskaźnik niezawodności K określa formuła [8,9,10,11]:

gdzie:

Kmax – wskaźnik niezawodności operatora w stanie ekstremalnym,

Ko – wskaźnik niezawodności operatora w stanie optymalnym.

Wymienione wskaźniki wyznacza się według formuły (5) na podstawie badań testowych. Obowiązuje ośmiostopniowa skala oceny niezawodności pracy operatora systemu, która została przedstawiona w tab. 1.

 

 

Metoda analizy niezawodności operatora TESEO

Wśród postaw aktywności operatora SZZW można wyróżnić doświadczenie wykonawcze oraz treściowe, które stanowi wiedza o otoczeniu technicznym i środowiskowym. To ostatnie jest wynikiem aktywności poznawczej i ma charakter zmysłowo-obrazowy bądź nieobrazowy, a także myślowy i abstrakcyjny. Należy tutaj podkreślić, że orientacja sytuacyjna jest koniecznym elementem działań operatora. Osobną kategorią poznawczą są czynności kontrolne, które wiążą się z myśleniem obrazowo-abstrakcyjnym. W ich wyniku operator powinien zdać sobie sprawę z zaistniałej rzeczywistości oraz ze związków i zależności pomiędzy poszczególnymi faktami [8,9,10,11,14]. Innym rodzajem aktywności operatora SZZW są czynności związane z funkcją kierowniczą. Wyróżnia się tutaj czynności regulacyjne i twórcze. Pierwsze oznaczają, że należy dążyć do perfekcji działania, drugie stwarzają zaś możliwość wprowadzenia oryginalnych nowych koncepcji w ww. zakresie.

 

Table 2. Ki indicators [11]
Table 2.
Ki indicators [11]

 

Sytuacje awaryjne (zagrożenia) są wynikiem gwałtownej zmiany, w wyniku której ma się do czynienia z utratą lub uszczerbkiem wartości technicznej mającej znaczenie dla człowieka. W krańcowym przypadku dla użytkowników SZZW może to być utrata zdrowia bądź życia w wyniku spożycia wody zanieczyszczonej [9].

Rola operatora SZZW pozostaje nadal daleka od zadowalających rozwiązań, szczególnie w sytuacjach ekstremalnych – występowania zagrożeń typu katastroficznego. Ryzyka związanego z rolą operatora SZZW nie da się wyeliminować, gdyż ma ono charakter wieloprzyczynowy [4,7,14]. Można go jednak rozpoznać, monitorować oraz podejmować odpowiednie decyzje w celu jego zmniejszenia do poziomu akceptowalnego. Jedną z metod wywodzących się z analizy niezawodności człowieka HRA (Human Reliability Asses-sment) jest metoda TESEO (włos. Technica Stima Errori Operatori) Wskaźnik popełnienia błędu kognitywnego (poznawczego) wyznacza się według formuły [9,10,11]:

gdzie:

K1 – stopień skomplikowania zadania,

K2 – przewidziany czas rutynowych i nie rutynowych działań operatora,

K3 – przygotowanie i praktyka zawodowa operatora,

K4 – wskaźnik obawy związany z powagą sytuacji,

K5 – interfejs operator – system.

Metoda może być stosowana w analizach porównawczych do oceny możliwości popełnienia błędu przez operatora systemu [8,9,10,11].

Wartości wskaźników Ki zostały podane w tab. 2.

Możliwe jest następujące zalecane prawdopodobieństwo popełnienia błędu przez operatora [8,9,10,11]: 

  • działania rutynowe wykonywane automatycznie: od 5⋅10–5 do 5⋅10–3,
  • działania związane z procedurami ich wykonywania: od 5⋅10–4 do 5⋅10–2, 
  • działania, których podstawą jest wiedza: od 5⋅10–3 do 5⋅10–1.

Metoda przewidywania błędu operatora THERP

Metoda THERP (ang. Technique for Human Error Rate Prediction) polega na szacowaniu prawdopodobieństwa popełnienia błędu przez operatora PBO. Prawdopodobieństwo jest wyznaczane na podstawie drzewa zdarzeń niezawodności operatora. Odbywa się to na zasadach analizy drzewa zdarzeń stosowanych przy analizie ryzyka Metoda ta pozwala również analizować wpływ błędu operatora na miary ryzyka związanego z funkcjonowaniem SZZW. W metodzie THERP wyróżnia się pięć etapów związanych z niezawodnością operatora [8,9,10,11]: 

  • określenie potencjalnych zdarzeń niepożądanych w SZZW, 
  • analiza procedur do wykonania przez operatora i możliwych błędów, 
  • oszacowanie prawdopodobieństwa błędu operatora, 
  • ocena wpływu błędu operatora na niezawodność SZZW, 
  • propozycje modyfikacji sprzyjające ograniczeniu możliwości popełnienia błędu.

Przykład

Należy wyznaczyć prawdopodobieństwo popełnienia błędu przez operatora dla następującej sytuacji awaryjnej. Stacja osłonowo- ostrzegawcza powyżej ujęcia wody powierzchniowej wykryła zanieczyszczenie chemiczne, którego konwencjonalny proces uzdatniania wody nie jest w stanie usunąć. Operator musi dokonać korekt w technologii uzdatniania wody. Dopuszczalny czas diagnozowania zdarzenia nadzwyczajnego i wykonania stosownych działań ts wynosi 30 min (czas dopływu fali zanieczyszczenia od stacji osłonowo-ostrzegawczej do przekroju ujęcia). Oceniono, że faktyczny czas na działanie operatora wynosi Td = 20 min [8,9,11].

Dopuszczalny czas diagnozowania sytuacji nadzwyczajnej wynosi:

Po oszacowaniu Ta przystępuje się do wyznaczenia prawdopodobieństwa błędu operatora (PBO). Wykorzystuje się do tego wykresy przedstawiające PBO w funkcji dostępnego czasu związanego z sytuacją nadzwyczajną Ta i Td. Przykład takiego wykresu przedstawiono na rys. 1.

Na rysunku 2 przedstawiono drzewo zdarzeń analizy popełnienia błędu przez operatora [8,9,11].

Z wykresu na rys. 2 odczytano: PBO dla Ta (10 min) = 0,1, PBO dla Td (20 min) = 0,003.

Dla drzewa zdarzeń (rys. 2) można obliczyć prawdopodobieństwo niepowodzenia P(N) i sukcesu P(S) w postępowaniu operatora:

Fig. 1. Dependence PBO = f (T) – based on [8,9,11]
Fig. 1.
Dependence PBO = f (T) – based on [8,9,11]
Fig. 2. The event tree analysis of the error committed by the operator [8,9,11]
Fig. 2.
The event tree analysis of the error committed by the operator [8,9,11]

Metoda szacowania i redukcji błędu operatora HEART

Metoda HEART (ang. Human Error Assessment and Reduction Technique) analizuje niezawodność operatora na tle czynników ergonomicznych i środowiskowych, które wpływają negatywnie na wykonanie zadania [7,8,9,11]. W tabeli 3. zestawiono typy zadań i odpowiadające im wskaźniki zawodności operatora.

Metoda wprowadza czynniki wpływające niekorzystnie na działanie operatora oraz współczynniki korygujące wartości prawdopodobieństwa nominalnego. W tabeli 4 zestawiono czynniki i współczynniki korygujące [8,9,11].

Metoda ma charakter ekspercki i każdemu czynnikowi przypisywana jest przez eksperta względna ważność, poprzez przyjmowanie wartości współczynników z zakresu od 0 do 1

Table 3. Types of operator failure tasks [9,11]
Table 3.
Types of operator failure tasks [9,11]

Przykład

Oszacować prawdopodobieństwo błędu związanego z wprowadzeniem alternatywnej technologii uzdatniania wody z powodu nadzwyczajnego zdarzenia polegającego na zanieczyszczeniu, które wystąpiło w źródle (w rzece, w przekroju ujęcia) [7,8,9,11]. Wprowadzenie alternatywnej technologii powinno odbywać się według wcześniej opracowanych procedur. Niedoświadczony operator stosuje niewłaściwe zmiany w technologii uzdatniania wody, przez co nieświadomie naraża użytkowników wodociągu na duże ryzyko związane ze złą jakością wody.

Z tabeli 3 wybiera się nominalną zawodność operatora odpowiadającą danemu typowi zadania. Wybrano typ VI, któremu odpowiada wskaźnik zawodności identyfikowany z prawdopodobieństwem popełnienia błędu równy 0,003. Następnie należy uwzględnić czynniki wpływające na popełnienie błędu, którym przyporządkowane są odpowiednie współczynniki korygujące (według tab. 4). Dla każdego czynnika trzeba określić współczynnik względnej ważności według wiedzy eksperta. Szczegółowy tok obliczeń przedstawiono w tab. 5 [8,9,11]. Prawdopodobieństwo popełnienia błędu przez operatora wylicza się ze wzoru [8,9,11]:

gdzie:

Ui – wskaźnik zawodności operatora według tab. 3,

Wi – współczynnik wpływu obliczany jak w tab. 4,

Wartości współczynników wpływu mogą posłużyć do wyznaczania względnego wpływu poszczególnych czynników na zawodność operatora, i tak: l

  • niedoświadczenie operatora (2,0/11,5) ⋅ 100 = 17,4%, 
  • dwuznaczność w procedurach działania (4,2/11,5) ⋅ 100 = 36,5%, 
  • zła percepcja ryzyka (3,7/11,5) ⋅ 100 = 32,2%, 
  • warunki nadzwyczajne (1,6/11,5) 100 = 13,9%.
Table 4. List of correction coefficients [11]
Table 4.
List of correction coefficients [11]
Table 5. Determination of PBO (auxiliary calculations)
Table 5.
Determination of PBO (auxiliary calculations)

Podsumowanie

Statystyka awarii w SZZW jak i innych systemach komunalnych dobitnie dowodzi o konieczności uwzględniania roli operatora w modelach niezawodności i bezpieczeństwa.

Do najważniejszych danych do ustalenia priorytetów w zakresie niezawodności i bezpieczeństwa funkcjonowania SZZW należą informacje o zagrożeniach i związane z nimi ryzyko.

Aby zminimalizować negatywne skutki należy przewidywać możliwość wystąpienia w/w zdarzeń i ustalić stosowne scenariusze postępowania. Ryzyka związanego z eksploatacją SZZW nie da się wyeliminować, gdyż ma ono charakter wieloprzyczynowy. Można go jednak zmniejszać do poziomu akceptowalnego. Strategiczną sprawą tym względzie wydaje się być monitoring i audyt SZZW. Operator SZZW pełni kluczową rolę w prawidłowej eksploatacji systemu zarówno w sytuacjach normalnej, codziennej pracy, jak również w sytuacjach kryzysowych. Podejmowanie decyzji przez operatora szczególnie w sytuacjach stresogennych jest kluczowym elementem dla zapewnienia bezpieczeństwa konsumentów wody.

Analiza czynnika ludzkiego w aspekcie funkcjonowania operatora powinna być stałym elementem strategii zarządzania bezpieczeństwem i niezawodnością systemu.

Plany Bezpieczeństwa Wodnego rekomendowane przez WHO oraz nowe wytyczne zawarte w projekcie rewizji Dyrektywy Wodnej powinny być uzupełnione o analizę niezawodności funkcjonowania operatora SZZW.

L I T E R AT U R A

[1] Bertalanffy L.; Ogólna teoria systemów. Podstawy, rozwój, zastosowanie. PAN, Warszawa, 1984

 [2] Czarniawska B.; Podejmowanie decyzji. Wydawnictwo UW. Warszawa, 1980.

[3] Franus E.; Wielkie funkcje technicznego intelektu. Struktura uzdolnień technicznych. Wydawnictwo UJ Kraków, 2000.

[4] Iwanejko R., Lubowiecka T.; Ryzyko w podejmowaniu decyzji w systemach zaopatrzenia w wodę. Materiały konferencyjne „Zaopatrzenie w wodę i jakość wód” Wydawnictwo PZITS O/Poznań. Gdańsk – Poznań, Woda 2002.

[5] Laska A., Piętowska – Laska R., Wieczorek S.; Ergonomia w kształtowaniu warunków pracy. Wydawnictwo ERWICO s.c. Rzeszów, 2000.

[6] Moore P.G.: Ryzyko w podejmowaniu decyzji. Państwowe Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa, 1975.

[7] Rak J.: Podstawy bezpieczeństwa systemów zaopatrzenia w wodę. PAN, Komitet Inżynierii Środowiska, t. 28, Lublin 2005.

[8] Rak J.R., Tchórzewska-Cieślak B.: Metody analizy i oceny ryzyka w systemie zaopatrzenia w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów 2005.

[9] Rak J.R., Tchórzewska-Cieślak B.: Ryzyko w eksploatacji systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę. Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o. Rzeszów 2013.

[10] Ratajczak Z., Niezawodność człowieka w pracy. PWN, Warszawa, 1984.

[11] Tchórzewska-Cieślak B., Rak J.: Niezawodność operatora systemu wodociągowego Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska, T.1/2010, Z.57, S.169-177, 2010.

[12] Wieczorek S.; Człowiek jako układ samosterowalny. Materiały pomocnicze dla studentów. WSTiZ, Rzeszów, 2002.

[13] Wieczorek S.; Przydatność ergonomicznych zasad metodologicznych do badania ryzyka wypadkowego w pracy. Materiały pomocnicze dla studentów WSIiZ, Rzeszów, 2002.

[14] Wieczysty A., Lubowiecka T., Iwanejko R.: Człowiek – dyspozytor systemu jako element wpływający na jego bezpieczeństwo. Bezpieczeństwo i niezawodność działania systemów gazowych, wodociągowych, kanalizacyjnych i centralnego ogrzewania. Konferencja Naukowo-Techniczna, PZiTS O/Kraków, Zakopane 1997.

[15] Wieczysty A., Lubowiecka T., Iwanejko R.; Niezawodność człowieka w biotechnicznym systemie zaopatrzenia w wodę. Materiały konferencyjne „Zaopatrzenie w wodę miast i wsi” PZITS O/Poznań, Poznań, 1998.

Back To Top
Ośrodek Informacji ,,Technika instalacyjna w budownictwie” 02-674 Warszawa, ul. Marynarska 14
tel./fax: (22) 843-77-71