УДК 656.025

Разработка методов анализа и оценки рисков и установления взаимосвязей с вредными и опасными факторами производственной среды

Деббаб Ахмед – студент факультета безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды Донского государственного технического университета.

Аннотация: FMEA (англ. Failure Mode and Effect Analysis) - это полезный метод анализа продукта или услуги до того, как он будет произведен или выпущен на рынок. Согласно принципу, заложенному в этом инструменте, дешевле предотвратить, чем устранить. FMEA широко используется в автомобильном секторе, однако в последние годы наблюдается явный переход от анализа приоритета риска (RPN) к анализу приоритета действий (AP). Цель данного исследования - провести сравнение FMEA с использованием RPN и AP соответственно.

Ключевые слова: FMEA, транспорт, оценка рисков, RPN, приоритет действий (AP).

1. Введение

Промышленная революция изменила производственные процессы два века назад. В эпоху оцифровки промышленности и более широкого использования данных знания о причинно-следственных связях важны как никогда. Например, в автоматизированных процедурах анализа данных использование знаний о причинно-следственных связях помогает избежать необъективных результатов [1] и повышает устойчивость алгоритмов анализа данных (например, повышает устойчивость алгоритмов машинного обучения [2]).

После обзора соответствующих исследований миниатюрный общественный транспорт, такой как мини-автобусы и совместные поездки, признан наиболее сбалансированным видом транспорта с точки зрения устойчивости и эффективности [3–5]. Несмотря на множество методов анализа и оценки рисков и различные способы их применения в системе, существуют некоторые недостатки, с которыми заинтересованным сторонам трудно справиться. Например, негабаритные грузоперевозки - еще одна проблема во всех видах транспорта. Перевозка негабаритных грузов требует не только получения специального разрешения, но и особой осторожности, чтобы быть неподвижным на протяжении всей перевозки [6].

К сегодняшнему дню транспорт - это важнейшая услуга, которая использует все экономические ресурсы, включая активы, труд, время и технологии, для доставки товаров и ресурсов потребителям и денег производителям. Транспорт, как и все другие отрасли, играет важнейшую роль в повышении рентабельности и экономической выгоды в горнодобывающем бизнесе. Погрузочно-разгрузочные работы настолько важны, что успешное ведение горных работ зависит от условий транспортировки и требует использования специализированного оборудования и технологий для предоставления услуг и товаров. Сохранность груза - серьезная проблема во всех видах транспорта, включая грузовики, железные дороги, водные пути, порты и аэропорты. Она настолько важна, что неправильно закрепленный груз ставит под угрозу безопасность дорожного движения, здоровье и жизнь людей и даже имущество, принадлежащее грузу. Фиксация груза и поднятие груза или трение - это два метода крепления грузов от скольжения, опрокидывания, скатывания и смещения [7].

В статье предлагается новый подход к анализу рисков путем развития метода FMEA, который считается одним из методов управления надежностью, широко используемых в различных отраслях промышленности для обеспечения безопасности и надежности систем, услуг и проектов [8]. Он жизненно важен для проектирования надежности и выявления существенных узких мест. FMEA - это подходящий метод диагностики неисправностей для выявления и регистрации влияния отказов на работу системы и ранжирования каждого отказа с точки зрения производительности системы [9]. Это методический подход к анализу надежности и безопасности, который выявляет основные режимы отказов, причины и процессы, чтобы избежать или смягчить последствия отказа [10]. Однако мало изучены вопросы частоты возникновения (O), тяжести (S) и обнаружения (D) отказов в обслуживании, а также их номера приоритета риска (RPN), что связано с формулированием методов восстановления в общей электронной коммерции [11].

2. Методы и методология
3. 1. Теория FMEA

FMEA - это систематическая и проактивная методология управления надежностью, которая широко используется для выявления значимых режимов отказов [12]. Она оценивает существующие или возможные механизмы отказов и устраняет потенциальные факторы риска, связанные с товарами, конструкциями, процессами, услугами и системами, повышая их надежность [13]. Основной целью FMEA является не столько проведение корректирующих процедур, сколько предотвращение вероятных режимов отказов, снижение вероятности возникновения дефектов, а также предотвращение или снижение вероятности возникновения опасных ситуаций [14]. Чанг и другие [15] подчеркнули принцип FMEA "профилактика лучше лечения", обеспечивающий проактивную защиту от потенциальных будущих дефектов при успешном сокращении затрат и времени на техническое обслуживание. Благодаря простоте понимания и применения FMEA широко используется в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую [16], обрабатывающую [17], автомобильную [18] и судостроительную [34]. FMEA используется в качестве основного подхода к снижению количества ошибок и опасностей, особенно в автомобильной промышленности [19]. Кроме того, Хуанг и другие [8] обнаружили, что большинство опубликованных статей относятся к производственному сектору, что указывает на важность FMEA как подхода к обеспечению безопасности процессов и надежности продукции в этой отрасли.

2. 2. Этапы процесса управления рисками «FMEA»

Этап 1: Идентификация рисков

Первый этап предлагаемой системы управления рисками заключается в определении возможных переменных риска, которые влияют на инциденты при перевозке опасных грузов. Выявленные критерии считаются исходными данными для всей процедуры. Также установлено, что идентификация рисков играет важную роль в процессе управления рисками опасных автоперевозок [20]. Этот этап состоит из двух шагов.

Шаг 1: Определение системы или процесса, подлежащего анализу

Необходимо собрать информацию об анализируемой организации у заинтересованных сторон, и лучше всего создать междисциплинарную команду, чтобы определить административную систему или процесс, который должен быть достигнут.

Шаг 2: определение потенциальных видов отказов для продукта или процесса

Когда все члены команды понимают суть процесса (или продукта), они могут начать думать о возможных способах отказа, которые могут повредить производственному процессу или качеству продукта. Мозговой штурм поможет вынести все эти идеи на обсуждение. Члены команды должны принести на мозговой штурм список идей. Помимо идей, которые участники принесут на встречу, другие появятся в результате синергетического эффекта группового процесса.

Этап 2: Анализ рисков

Анализ рисков - это второй этап управления рисками. В данном исследовании анализ риска означает определение потенциального влияния (влияния) каждого фактора риска (рис. 1), например, на аварии при транспортировке опасных грузов. Иными словами, на каждом этапе, начиная с оценки и заканчивая определением приоритетности действий, необходимо определить степень важности каждого фактора риска.

Рисунок 1. Анализ отказов

Шаг 3: Определение потенциального (ых) эффекта (ов) вида отказа на систему или клиента

Шаг 4: Оценка степени значимости для каждого вида отказа на основе его последствий (таблица 2)

Шаг 5: Определение потенциальной причины (причин) для каждого вида отказа

Шаг 6: Оценка вероятности возникновения для каждого вида и причины отказа (таблица 2)

Шаг 7: Определение средств контроля для данного режима отказа и основной причины

Шаг 8: Оценка уровня обнаружения для каждого вида отказа, причины и следствия (таблица 2)

Шаг 9: Расчет приоритетного номера риска (RPN) для каждого вида отказа

Использование FMEA для определения приоритетов улучшений позволяет успешно предотвращать сценарии отказов. Успешно внедренный FMEA сводит к минимуму возникновение отказов систем и изделий, повышая эксплуатационную надежность как государственных, так и коммерческих организаций [12,18]. Эксперты проводят типичную оценку FMEA, ранжируя режимы отказов по шкале от 1 до 10 или от 1 до 5, в зависимости от организации и вида риска, а затем перемножая эти рейтинги. Конечным результатом является число приоритета риска (RPN), которое классифицирует критические режимы отказов. Большее число RPN предполагает более высокий связанный с ним риск, поэтому режимы отказа с более высокими значениями RPN требуют большего внимания. В таблице 1 представлены три переменные риска: значимость (S), возникновение (O) и обнаружение (D).

Таблица 1. Описание факторов риска

Фактор риска	Описание
Значимость (S)	Значимость вида отказа измеряет уровень повреждения и влияния на всю систему. Она оценивает влияние режима отказа на всю систему, продукт, оборудование или процесс, когда он происходит. [12,14,18]
Возникновение (O)	Возникновение вида отказа измеряется. Изучение данных о предыдущих отказах может помочь оценить частоту возникновения режима отказа. Более высокий балл предполагает большую вероятность возникновения режима отказа. Уровень часто определяется частотой возникновения режима отказа за определенный период времени. [13,14,18]
Обнаружение (D)	Вероятность или сложность распознавания режима отказа при его возникновении в системе, продукте, оборудовании или процессе называется обнаруживаемостью. Если режим отказа можно успешно и своевременно предсказать до его возникновения, то вероятность возникновения такого режима можно уменьшить. Высокая обнаруживаемость означает меньшую вероятность отказа, а низкая обнаруживаемость - большую вероятность возникновения риска. [12,16,17]

Таблица 2. Критерий отказа для RPN

Уровень риска	Значимость (S)	Возникновение (O)	Обнаружение (D)	Вещественное число
1	Почти нет	Редко случается	Чрезвычайно обнаруживаемые	1
2	Ничего серьезного	Реже случается	Легко обнаруживается	3
3	В целом серьезно	Случаются изредка	Внимание	5
4	Серьезно	Случаются очень часто	Трудно обнаружить	7
5	Чрезвычайно серьезные	Склонны к возникновению	Крайне трудно обнаружить	10

В формуле используются абсолютные значения для S, O и D, а результирующая RPN представляет собой определенное число. Однако различные исследования [8,13,14,16,21] показали, что этот алгоритм имеет существенные недостатки, которые заключаются в следующем:

• Различные переменные риска могут давать одно и то же число RPN, но лежащие в их основе опасности могут отличаться. Например, два режима отказа со значениями S, O и D 1, 3 и 6 и 2, 3 и 3 дают значения RPN, равные 18. В результате лица, принимающие решения, могут рассматривать эти два типа отказов как одинаково важные, даже если один из них может нести в себе большую опасность. Этот вид отказа может привести к отказу дополнительных компонентов, что поставит под угрозу безопасность и надежность продукта и процесса.
• Формула RPN является проблематичной, поскольку она оценивает только три переменные риска, игнорируя их взаимозависимость и дополнительные факторы, влияющие на риск. Более того, типичный расчет RPN часто слишком упрощает взаимозависимость различных переменных риска и их влияние на общий риск [22]. Риск - сложное и всеобъемлющее понятие, включающее в себя несколько аспектов, таких как технологические, производственные и экономические проблемы. Традиционный метод рассматривает эти аспекты по отдельности, что может привести к неточному представлению об общей среде риска. Кроме того, использование одного числового показателя, такого как RPN, может создать ложное впечатление о точности и не отразить весь спектр опасностей, связанных с системой или процессом. Этот недостаток особенно очевиден при сравнении различных механизмов отказа с различными экономическими последствиями [23]
• При расчете RPN не учитывается относительная значимость трех опасностей. Всем трем элементам придается одинаковый вес, а неоднозначность и субъективность, присущие этому процессу, часто игнорируются. На практике каждая опасность имеет разный уровень значимости.
• Формула RPN чрезвычайно проста и не имеет прочной математической основы. Она уязвима к изменениям в переменных риска; кроме того, незначительные различия могут оказать существенное влияние на итоговый показатель RPN, что не способствует ранжированию.

Этап 3: Оценка рисков и контроль рисков

Третий этап управления рисками заключается в том, чтобы предложить методы контроля и выделить ограниченные ресурсы для контроля выявленных рисков. Это одновременно и цель, и основной предмет управления рисками. На этом этапе первоначально определяются методы контроля рисков, соответствующие идентифицированным переменным риска и их фундаментальному рейтингу значимости.

Шаг 10: Выполнение корректирующих действий по снижению/смягчению или устранению риска.

2. 3. Приоритет действий в FMEA «англ. – Action Priority (AP)»

После того как команда FMEA провела первую оценку режимов и последствий отказов, причин и средств контроля, включая рейтинги серьезности, возникновения и обнаружения, она должна определить, требуются ли дополнительные меры по снижению риска. Из-за присущих им ограничений по деньгам, времени, технологиям и другим соображениям они должны выбрать, как расставить приоритеты в этих усилиях.

Расстановка приоритетов имеет решающее значение для эффективного и успешного проведения FMEA. Одним из таких важных показателей является приоритет действий (AP), который определяет, какие опасности (сочетание серьезности, возникновения и обнаружения) должны быть приоритетнее других. Это позволяет организации и ключевым заинтересованным сторонам определить последовательность действий, которые должны быть выполнены.

Приоритет действий: Основная цель "Приоритета действий" - определить, как правильно расставить приоритеты действий для снижения риска. Он предусматривает три уровня приоритетности действий: высокий, средний и низкий. Акцент делается на необходимости принятия мер по снижению риска, а не на классификации риска как высокого, среднего или низкого.

Он был разработан для того, чтобы в первую очередь сосредоточиться на серьезности, затем на возникновении и, наконец, на обнаружении. Это обоснование соответствует цели FMEA по предотвращению отказов. Таблица AP рекомендует высокий-средний-низкий приоритет действий. Компании могут оценивать приоритеты действий, используя единую систему, а не различные системы, требуемые несколькими клиентами.

Преимущества AP заключаются в следующем:

• Учитывает все возможные 1000 комбинаций значимости (S), возникновения (O) и обнаружения (D);
• В первую очередь внимание уделяется серьезности, затем возникновению и обнаружению;
• Логика заключается в предотвращении отказов;
• Таблица AP предлагает высокий (H), средний (M) и низкий (L) приоритет действий по конкретным стандартам (таблица 3);
• Матрица рисков представляет собой комбинацию S & O, S & D и O & D;
• Таблица приоритетов действий аналогична для «DFMEA» и «PFMEA», но отличается для «FMEA-MSR» (мониторинг и реагирование системы);
• Рекомендуется, чтобы 9 и 10 степени значимости с AP «High» и «Medium» были рассмотрены руководством, включая любые рекомендуемые действия.

Таблица 3. Критерии приоритета действий AP

Приоритет высокий (H)	Наивысший приоритет для рассмотрения и принятия мер;  Либо определить соответствующие действия для улучшения предотвращения и/или обнаружения;  Либо обосновать и документально подтвердить, почему существующие средства контроля являются адекватными.
Приоритет средний (M)	Средний приоритет для рассмотрения и принятия мер;  Либо определить соответствующее действие для улучшения предотвращения и/или обнаружения;  Либо, по усмотрению организации, обосновать и документально подтвердить, что средства контроля являются адекватными.
Приоритет низкий (L)	Низкий приоритет для анализа и принятия мер;  Могут быть определены действия по улучшению средств предотвращения или обнаружения.

Комбинируя RPN и AP, можно получить следующую таблицу 4:

Таблица 4. Сочетание RPN и AP

Результаты таблицы 5 показывают применение метода FMEA к трамвайным путям, чтобы узнать ожидаемые риски отказов и аварий для принятия необходимых мер по повышению эксплуатационной безопасности транспортных средств.

Таблица 5. Анализ видов и последствий отказов (FMEA)

3. Результаты и обсуждение

В целом, предыдущие подходы к анализу RPN имели существенные недостатки. Поскольку при анализе RPN

RPN = S * O * D

При расстановке приоритетов всем оценкам придается одинаковый вес. Кроме того, RPN - это не просто критерий приоритетности рисков. В результате у некоторых других компаний появились собственные критерии, такие как S*O и O*D, а также множество других комбинаций, которым они следовали.

Если взять в качестве примера два сценария, чтобы показать существенные недостатки RPN, то в следующей таблице (таблица 6):

Таблица 6. Номер приоритета риска (RPN) [24]

 

Если RPN = 80, то RPN недостаточен для различения всех потенциальных комбинаций S, O и D (рис. 2).

Рисунок 2. Диаграмма RPN [24]

Сравнение можно провести, обратившись к примеру, представленному в таблице 5. Из таблицы 6 видно изменение AP при неизменном значении RPN. В результате возникает разница между RPN и AP, что означает приоритетность снижения высоких рисков в первую очередь за счет демонстрируемых результатов.

Как часто критериями для присвоения рейтинга серьезности, возникновения и обнаружения является реальный статус, а не целевое значение!

Почему организация испытывает давление, определяя приоритет действий как высокий?

Таблицы 6. Анализ видов и последствий отказов (FMEA) (Сравнение)

4. Выводы

Безопасность настолько сильна, насколько сильно самое слабое звено. FMEA играет решающую роль в обнаружении этого слабого звена в системах, конструкциях и процессах. FMEA помогает инженерам во многих областях (в частности, в электротехнике) более эффективно решать задачи безопасности, используя универсальную команду, которая начинает с четко определенной области применения и соответствующих инструментов в своем распоряжении.

Кроме того, в традиционном методе FMEA в качестве эталона используется RPN, полученный путем перемножения трех параметров и выявления неисправных, у которых RPN превышает максимально допустимое значение для каждого случая. Кроме того, RPN одинаково учитывает серьезность, частоту возникновения и обнаружение. Более современная методика AP, напротив, расставляет приоритеты между этими тремя факторами. В этом случае сначала рассматривается серьезность, а затем частота возникновения и обнаружение.

Окончательный вывод данного исследования заключается в том, что эти две методики должны изучаться в тандеме, а не в антагонизме, и должны учитывать наиболее неблагоприятные сценарии, предлагаемые каждой из них, в соответствии с современными стандартами.

Список литературы

1. Pearl J., Mackenzie D. The book of why: the new science of cause and effect. Basic books, 2018.
2. Kyono T., van der Schaar M. Improving model robustness using causal knowledge // arXiv Prepr. arXiv1911.12441. 2019.
3. Alisoltani N., Leclercq L., Zargayouna M. Can dynamic ride-sharing reduce traffic congestion? // Transp. Res. Part B Methodol. 2021. Vol. 145. P. 212–246.
4. Bistaffa F. et al. A Computational Approach to Quantify the Benefits of Ridesharing for Policy Makers and Travellers // IEEE Trans. Intell. Transp. Syst. 2021. Vol. 22, № 1. P. 119–130.
5. Jalali R. et al. Investigating the potential of ridesharing to reduce vehicle emissions // Urban Plan. 2017. Vol. 2, № 2. P. 26–40.
6. Macioszek E. Oversize cargo transport in road transport–problems and issues // Zesz. Nauk. Transp. Śląska. Politechnika Śląska. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2020. № 108.
7. Macioszek E. Essential techniques for fastening loads in road transport // Zesz. Nauk. Transp. Śląska. 2021.
8. Huang J. et al. Failure mode and effect analysis improvement: A systematic literature review and future research agenda // Reliab. Eng. Syst. Saf. 2020. Vol. 199. P. 106885.
9. Renjith V.R. et al. Fuzzy FMECA (failure mode effect and criticality analysis) of LNG storage facility // J. Loss Prev. Process Ind. 2018. Vol. 56. P. 537–547.
10. Rastayesh S. et al. A System Engineering Approach Using FMEA and Bayesian Network for Risk Analysis—A Case Study // Sustainability. 2020. Vol. 12, № 1.
11. Shan H. et al. Risk assessment of express delivery service failures in china: An improved failure mode and effects analysis approach // J. Theor. Appl. Electron. Commer. Res. MDPI, 2021. Vol. 16, № 6. P. 2490–2514.
12. Liu H.-C. et al. Failure mode and effect analysis using multi-criteria decision making methods: A systematic literature review // Comput. Ind. Eng. Elsevier, 2019. Vol. 135. P. 881–897.
13. Lo H.-W., Liou J.J.H. A novel multiple-criteria decision-making-based FMEA model for risk assessment // Appl. Soft Comput. Elsevier, 2018. Vol. 73. P. 684–696.
14. Lin S.-W., Lo H.-W. An FMEA model for risk assessment of university sustainability: using a combined ITARA with TOPSIS-AL approach based neutrosophic sets // Ann. Oper. Res. 2023.
15. Chang T.-W. et al. A novel FMEA model based on rough BWM and rough TOPSIS-AL for risk assessment // Mathematics. MDPI, 2019. Vol. 7, № 10. P. 874.
16. Yazdi M., Daneshvar S., Setareh H. An extension to Fuzzy Developed Failure Mode and Effects Analysis (FDFMEA) application for aircraft landing system // Saf. Sci. 2017. Vol. 98. P. 113–123.
17. Chi C.-F., Sigmund D., Astardi M.O. Classification Scheme for Root Cause and Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) of Passenger Vehicle Recalls // Reliab. Eng. Syst. Saf. 2020. Vol. 200. P. 106929.
18. Başhan V., Demirel H., Gul M. An FMEA-based TOPSIS approach under single valued neutrosophic sets for maritime risk evaluation: the case of ship navigation safety // Soft Comput. 2020. Vol. 24, № 24. P. 18749–18764.
19. Chiozza M.L., Ponzetti C. FMEA: A model for reducing medical errors // Clin. Chim. Acta. 2009. Vol. 404, № 1. P. 75–78.
20. Li Y.-L., Yang Q., Chin K.-S. A decision support model for risk management of hazardous materials road transportation based on quality function deployment // Transp. Res. Part D Transp. Environ. 2019. Vol. 74. P. 154–173.
21. Cao X., Deng Y. A new geometric mean FMEA method based on information quality // Ieee Access. IEEE, 2019. Vol. 7. P. 95547–95554.
22. Xu N. et al. Risk Assessment of Lift-Jacking Accidents Using FFTA-FMEA // Appl. Sci. MDPI, 2023. Vol. 13, № 12. P. 7312.
23. Ribas J.R. et al. A fuzzy FMEA assessment of hydroelectric earth dam failure modes: A case study in Central Brazil // Energy Reports. Elsevier, 2021. Vol. 7. P. 4412–4424.
24. Scott G. AIAG & VDA FMEA Handbook. 2019.