с 01.01.2021 по 01.01.2024
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.2 Основания и фундаменты, подземные сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
ВАК 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
ВАК 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
ВАК 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
ВАК 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
ВАК 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
ВАК 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
ВАК 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
ВАК 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
ВАК 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
УДК 69.058 Испытания и измерения, проводимые на строительной площадке
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
В статье рассмотрены методы определения несоответствий на вероятность отказа инженерных систем и проблемы их применения в строительстве, проанализировано текущее состояние распространенности данных методов в строительной отрасли Российской Федерации. Рассмотрены неопределенность и варианты снижения риска в процессах инженерного проектирования. Оценены преимущества и недостатки методов оценки работоспособности инженерных систем: оценка вероятностных рисков (PRA), анализ дерева неисправностей (FTA), анализ дерева событий (ETA), моделирование и анализ надежности Монте-Карло. Обсуждены стратегии выбора, зависящего от конкретного контекста моделируемой (анализируемой) ситуации и имеющихся ресурсов. Выдвинуто предположение о наиболее полноценном анализе ситуаций при сочетаний нескольких методов или их использовании в сочетании друг с другом. Рассмотрена важность учета сложности системы, доступности данных и желаемого уровня детализации при выборе наиболее подходящих методов. Отражен наиболее приемлемый подход по организации мониторинга вероятности отказа инженерных систем на основе зрелости анализа видов и эффектов отказов (FMEA) для снижения выявленных рисков. Обсуждены преимущества внедрения системы мониторинга и управления для инженерных систем на объекте. Заключено, что внедрение системы мониторинга и управления для инженерных систем повышает надежность, комфорт и безопасность зданий и сооружений, а также снижает эксплуатационные расходы. Отмечено, что для определения оптимального метода важно учитывать конкретные цели, имеющиеся ресурсы и сложность анализируемой системы. Сделано предположение о наиболее эффективном выборе методики оценки работоспособности инженерных систем, коим может являться сочетание методов или индивидуальный подход, отвечающий конкретным аналитическим потребностям застраиваемого объекта и последующей интенсивности эксплуатации инженерных систем
инженерные системы, отказы, анализ видов и эффектов отказов, FMEA, качество, промышленное предприятие, риск-менеджмент
Введение
Инженерные системы здания или сооружения – неотъемлемая часть обеспечения технологических процессов построенного объекта, его ресурсо- и энергоснабжения, а также обеспечения безопасности. Именно потому на этапе эксплуатации инженерных систем законченного (введенного в эксплуатацию) объекта необходимо учитывать факторы предупреждения и предотвращения чрезвычайных ситуаций, а также оптимизации затрат на обслуживание работающих систем. Ввиду этого у управляющих компаний возникает потребность в организации различного рода систем мониторинга инженерных систем для обеспечения надлежащего управления инженерной инфраструктурой здания.
Цель исследования
Целью исследования является проведение анализа существующих методов обработки ситуаций отказов (несоответствий) инженерных систем и предложение наиболее оптимального метода обработки выявленных несоответствий на действующем и проектируемом производствах строящихся зданий или сооружений.
Материалы и методы
Область строительства включает в себя несколько видов инженерных систем. К числу наиболее распространенных относятся электрические системы, водопроводные системы (водоснабжение и водоотведение), системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ/HVAC), а также системы противопожарной защиты. Каждая из этих систем играет решающую роль в проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и окружающей инфраструктуры, и определяет как именно в будущем, на этапе эксплуатации объекта, будет производиться оценка работоспособности и обслуживание (мониторинг) функционирующих систем.
Система мониторинга инженерных систем зданий и сооружений предназначена для наблюдения и предупреждения наступления различных потенциальных проблем, среди которых наиболее критическими являются:
- опасность пожара в здании;
- утечка газа и аварии на трубопроводах;
- загрязнение газом на объектах;
- поломки оборудования в системах центрального отопления и котельных;
- нарушения в области отопления, электроснабжения и горячей/холодной воды, которые могут привести к чрезвычайным ситуациям на магистральных линиях;
- выявление скрытых дефектов и нарушений в процессах обработки, которые могут привести к чрезвычайным ситуациям;
- сбои в системах голосовых и электронных сообщений, элеваторном оборудовании и других важнейших компонентах.
Определение влияния несоответствий на вероятность отказа инженерных систем может быть сложной задачей. Одним из часто используемых методов является подход, основанный на оценке риска, который предусматривает оценку потенциальных последствий несоответствий и их вероятности возникновения. Этого можно достичь используя такие методы как:
- анализ дерева ошибок,
- режим отказа и анализа последствий,
- вероятностная оценка риска.
Данные методы оценивают потенциальное воздействие несоответствий на всю инженерную систему в совокупности с количественной точки зрения, что позволяет сделать вывод о надежности и безопасности всей функционирующей системы. Помимо количественного (финансового) аспекта, важно принимать во внимание также и технико-технологические аспекты системы, а также человеческий фактор, что может служить причиной несогласованной координации в части обеспечения работы рассматриваемых инженерных систем.
Для профилактики и прогнозирования работоспособности системы, ключевыми параметрами являются:
- надежность конструкции,
- контроль качества;
- регулярное техническое обслуживание (ТО).
Также существуют некоторые методики прогнозирования и тестирования потоков инженерных систем для обеспечения стабильности их работы, а также повышения производительности работы всей системы. Эффективность применения того или иного метода зависит от условий окружающей среды здания или сооружения, квалификации специалистов, а также периода проведения проверки. Ниже в Таблице 1 рассмотрим наиболее распространенные методики (применяемые на практике) для оценки диагностирования режима отказа в части непрерывности работы инженерных систем.
Таблица 1
Методики оценки работоспособности инженерных систем
|
Вид |
Определение / Суть метода |
Преимущества использования |
Недостатки метода |
|
Оценка вероятностных рисков (Probabilistic Risk Assessment, PRA) |
Наиболее общий метод прогнозирования рисков в работе инженерных систем, учитывающий реалистичные факторы надежности компонентов (а также сроков их полезного использования), человеческого фактора и угроз со стороны окружающей среды |
Систематизация качественного и количественного анализа рисков возникновения сбоев, определение режимов отказов, а также приоритезации ресурсов для минимизации выявленных рисков |
Требует значительного объема данных и опыта для точной оценки вероятности. Проведение тщательного анализа PRA может быть связано с большими затратами времени и средств |
|
Анализ дерева неисправностей (Fault Tree Analysis, FTA) |
Анализ причин и последствий уже наступивших сбоев/неисправностей в системе, с учетом построения логических диаграмм дерева ошибок (Fault Tree) |
Визуализация критического пути при анализе причин неисправной работы систем(-ы), прослеживание взаимосвязи между отказами компонентов функционирования систем |
Метод может стать сложным и неудобным в использовании для больших и сложных систем. Он опирается на точные вероятностные данные, и может оперировать не всеми возможными сценариями отказа |
|
Анализ дерева событий (Event Tree Analysis, ETA) |
Характерен прогнозированием (моделированием) последовательности событий после наступления конкретного негативного события и/или сбоя работы в системе |
Четкое представление о последствиях конкретного сбоя, совместно с прогнозированием вероятностного исхода различных результатов наступления того или иного события, для наиболее оперативного реагирования на чрезвычайные ситуации и минимизации последствий выявленных рисков дерева решений |
В значительной степени опирается на экспертные оценки и предположения. Он может не точно отражать все возможные сценарии и их вероятность. Он может быть трудоемким с точки зрения времени и ресурсов |
|
Моделирование и анализ надежности Монте-Карло |
Вычислительная выборка для прогнозирования поведения сложных систем. Используется для моделирования надежности с учетом вероятности отказа некоторых компонентов инженерных систем |
Учет факторов неопределенности, совместно с вероятностной оценкой изменчивости всей работы системы |
Моделирование Монте-Карло требует статистических знаний и вычислительных ресурсов. Он не может точно объяснить все возможные сценарии отказа и зависимости. Анализ надежности может основываться на предположениях и упрощениях, которые могут повлиять на точность результатов |
Вышеперечисленные методы не универсальны, каждый имеет свои сильные и слабые стороны, и конечный выбор зависит от конкретного контекста моделируемой (анализируемой) ситуации и имеющихся в распоряжении компании конечных ресурсов. Сочетание нескольких методов может обеспечить более полноценный анализ ситуации.
Для обеспечения оптимального взаимодействия с выявленными методиками, необходимо учитывать доступность исходных данных, сложность анализируемой системы, а также потенциальный уровень детализации исходной информации и выявленных решений для того или иного метода – к примеру, PRA используется в случаях количественной оценки, что требует значительных временных и ресурсных затрат, FTA – в случаях определения причин и последствий системных сбоев, а также для выявления критического пути без рассмотрения всех возможных сценариев отказов работы инженерных систем, в то время как ETO в анализе причинно-следственных связей больше опирается на экспертное мнение, и Монте-Карло по большей степени представляет собой механическую проработку данных, что требует вычислительных мощностей и знания законов статистики у кадровых специалистов, использующих данный метод при оценке несоответствий.
Налицо очевиден комплексный подход при принятии управленческих решений не только по фактам наступившего чрезвычайного события, но также и в процессах организации предупредительных мер по анализу инженерных систем, зачастую – до процесса их монтажа на строительном объекте. Как этого достичь? Анализ критичности режимов и последствий отказов (FMECA) может использоваться на протяжении всего жизненного цикла строительства здания или сооружения и определения приоритетности корректирующих действий.
Результаты исследования
Для анализа глубинных причин с выявлением основного перечня факторов, способствующих сбоям в работе инженерных систем, применяется анализ режима отказа работоспособности той или иной системы, и его последствий на всю систему (и объект) в совокупности. Анализируется их серьезность и вероятность повторного возникновения. Это позволяет инженерам определять приоритеты и разрешать области повышенного риска в первую очередь.
FMEA (Failure modes and effects analysis) – анализ причин и последствий отказов. Этот метод анализа применяется в менеджменте качества с целью выявления дефектов и несоответствий и причин их возникновения в здании или сооружении. В целях предотвращения системных сбоев, в рамках данного подхода определяются приоритезация и области высокого риска.
По рекомендациям опыта производственно-технической практики в строительстве, процесс проведения FMEA включает в себя следующие этапы:
- Определение системы или ее компонента, подлежащего анализу;
- Определение возможных режимов отказа: перечисляются все возможные способы выхода системы или компонента из строя;
- Оценка серьезности каждого режима отказа;
- Определить вероятность возникновения;
- Оценка идентификации режимов отказа.
На первом этапе определяется охват анализа, по конкретным подсистемам, ее компонентам или же всей инженерная система в совокупности. Следом происходит рассмотрение функциональных неисправностей, совме6стно с потенциальными угрозами безопасности функционирования ИС. На третьем этапе происходит оценка последствий и степени воздействия отказа того или иного компонента системы, которые требуют незамедлительного внимания и принятия управленческих решений. На предпоследнем, четвертом этапе, требуется оценить вероятность возникновения каждого нового потенциально возможного отказа работы системы (или ее компонента), посредством экспертных знаний и статистического анализа исторических данных.
В настоящее время существует три вида анализа FMEA:
- FMEA-анализ технической системы – для выявления основополагающих проблем в основных стадиях работы функционирующей системы;
- FMEA-анализ конструкции – для выявления проблем в компонентах и подсистемах функционирующего здания или сооружения;
- FMEA-анализ процесса – пригоден в части выявления проблем в процессах производства, сборки, монтажа и обслуживания строительно-монтажных работ.
Данные виды анализа FMEA могут применяться как и каждый по отдельности, так и во взаимосвязи друг с другом. Однако, в качестве дополнительной итерации, возможен вариант, где систематически выполняются все три вида FMEA-анализа совместно. Их взаимосвязь представлена в таблице ниже.
Таблица 2
Взаимосвязь видов FMEA
|
Виды FMEA |
Несоответствия |
Последствия |
Причины |
|
FMEA-анализ системы |
Несоответствия функций системы |
Выявление проблемы |
Первостепенные причины (индикаторы) проблем |
|
FMEA-анализ конструкции |
Причины проблемы (из FMEA-анализа системы) |
Проблемы для каждого элемента конструкции |
Детальный список причин для каждого элемента конструкции |
|
FMEA-анализ процесса |
Детальный список причин (из FMEA- анализа конструкции) |
Проблемы для каждого элемента конструкции (из FMEA-анализа конструкции) |
Детальный список причин для операций процесса |
Подводя итог, можно сделать вывод о том что основное применение FMEA-анализа связано с улучшением конструкции возводимого здания или сооружения (его взаимосвязанных характеристик) и процессов выполнения строительно-монтажных работ на объекте, пуски-наладки оборудования (при наличии), а также его дальнейшей эксплуатации и вплоть до реставрации/сноса объекта. Здесь речь идет и о проектируемых инженерных сетях, и о фактически действующих на объекте анализа.
Для предотвращения и митигации выявленных рисков посредством проведения FMEA анализа, могут выполнены следующие мероприятия:
- Конструктивные усовершенствования;
- Меры контроля качества;
- Обслуживание и мониторинг;
- Подготовка и обучение сотрудников, занятых при оценке состояния (мониторинга) инженерных систем;
Эти процессы включают в себя полное или частичное изменение функционирование инженерной системы или ее компонента(-ов) для устранения или уменьшения вероятности режимов отказа. Помимо улучшения сопутствующих (используемых) материалов, также предусматривается изменение технологических параметров конструкции для определения избыточности на этапе проектирования. Помимо этого, необходима организация процедур испытаний и дополнительных проверок (инспекции) в ходе производства или строительства для обеспечения объекта соответствию требованиям и стандартам функционирования инженерных систем. Не стоит однако также забывать про обеспечение надлежащей подготовки кадров и обслуживающего персонала для обеспечения наиболее оперативного реагирования на возможные способы отказа инженерных систем на производстве и/или в процессах эксплуатации зданий и сооружений.
Систематически применяя FMEA и принимая профилактические меры, инженеры могут значительно снизить риск отказов и повысить надежность и безопасность инженерных систем.
В России рекомендации по применению FMEA появились со значительным опозданием. В 1987 году был выпущен первый перевод международного стандарта IEC 812, на основании которого в середине 90-хх гг. XX века был выпущен первый стандарт ГОСТ 27.310-95. Тогда же, НИИ «22 Центральный Научно-Исследовательский Испытательный институт Министерства Обороны РФ ФГУ» выпустил рекомендации по надежному и высоко-ориентированному проектированию и изготовлению, в которых декларировалась обязательность применения методики FMEA на всех этапах создания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). В 2006 году Международная электротехническая комиссия (МЭК) выпустила обновленную версию стандарта по FMEA, российская версия которого получила обозначение ГОСТ 51901.12.
Оценка рисков при организации системы мониторинга
В контексте параллельного проектирования с ограничениями по стоимости и срокам выполнения поставщик и получатель информации не захотят ждать завершения взаимосвязанных задач, чтобы начать выполнение своих задач. [1] Должен иметь место предварительный выпуск незрелой (неподготовленной) информации о текущем статусе строительного объекта, и необходим компромисс в отношении уровня неопределенности обмениваемой информации [2]. Разумеется, это влечет за собой дополнительные риски переделок и перерасхода средств.
Оценка итерационного риска соответствует этапам любого метода оценки риска, которые состоят из ответов на следующие вопросы:
- Каковы инициаторы или инициирующие события, которые приводят к неблагоприятным последствиям?
- Какому и насколько серьезному потенциальному ущербу может подвергнуться процесс или продукт в результате появления инициатора?
- Насколько вероятны эти нежелательные последствия или какова их вероятность? Как можно снизить риск?
Вопросы о затратах, связанных с мероприятиями по снижению рисков и оценкой остаточных рисков, в данной статье не рассматриваются. Ответы на приведенные выше вопросы описаны в рамках подхода к оценке рисков, основанного на анализе зрелости режима отказа и последствий (FMEA) инженерных систем [3]:
Рис. 1. Подход на основе зрелости FMEA для снижения выявленных рисков [4]
Хотя оценка должна проводиться в начале проекта, важно подчеркнуть тот факт, что неопределенность и оценка риска зависят от времени; их значения могут меняться на протяжении всего процесса проектирования. Основным ожидаемым результатом этой структуры является возможность оценки рисков и обновления по мере выполнения технического проектирования. Подход, основанный на зрелости, состоит из динамического метода оценки факторов неопределенности и их влияния на мониторинг проекта, и функционирования его инженерных систем на этапе эксплуатации.
Выводы
Внедрение системы мониторинга и управления для инженерных систем на объекте дает следующие очевидные преимущества:
- Благодаря постоянному дистанционному и автоматическому мониторингу инженерных систем система снижает вероятность аварий и чрезвычайных ситуаций.
- В случае аварий и чрезвычайных ситуаций система позволяет быстро локализовать данные об авариях, что позволяет быстро принимать решения для сведения к минимуму их последствий.
- Раннее обнаружение неисправностей, неисправностей и дефектов в системах жизнеобеспечения и безопасности позволяет прогнозировать потенциальные проблемы с инженерной инфраструктурой, облегчая своевременное предотвращение аварий.
- Система обеспечивает объективную способность прогнозировать, сохранять и планировать потребление электроэнергии и других ценных ресурсов.
В целом внедрение системы мониторинга и управления для инженерных систем повышает надежность, комфорт и безопасность зданий и сооружений, а также снижает эксплуатационные расходы [5]. Для определения оптимального метода важно учитывать конкретные цели, имеющиеся ресурсы и сложность анализируемой системы. Наиболее эффективным может быть сочетание методов или индивидуальный подход, отвечающий конкретным аналитическим потребностям застраиваемого объекта и последующей интенсивности эксплуатации инженерных систем.
1. Guma, T. N., Ozoekwe, N. C. W., & Odita, K. V. An Overview of Approaches and Techniques used in Failure Analysis of Engineering System // Arid Zone Journal of Engineering, Technology and Environment . 2020. Vol. 16 No. 3. P. 587-604. URL: https://www.azojete.com.ng/index.php/azojete/article/view/343
2. Елохов А. М. Управление качеством: учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Москва: НИЦ ИНФРА-М, 2017. 334 с.
3. Мартынюк А. В. и др. FMEA-анализ как один из комплексных методов эффективно¬го управления качеством / А. В. Мартынюк, А. В. Зарецкий, Т. И. Зимина, М. А. Макаров // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2012. № 6. С. 122-126.
4. FMEA Analysis of types and consequences of potential defects / Chrysler Corp., Ford Motor Company, General Motors. Corp. 2nd edition. February 1995.
5. Возгомент Н.В., Астафьева О.Е., Преимущества BIM-Моделирования в инвестиционно-строительной сфере в условиях цифровых трансформаций отрасли // Вестник университета. № 7, 2021, стр. 58-66. DOI: https://doi.org/10.26425/1816-4277-2021-7-58-66
