Development of quantitative methods for sustainability assessment in process industry

The increasing aversion to technological risks of the society requires the development of inherently safer and environmentally friendlier processes, besides assuring the economic competitiveness of the industrial activities. The different forms of impact (e.g. environmental, economic and societal) are frequently characterized by conflicting reduction strategies and must be holistically taken into account in order to identify the optimal solutions in process design. Though the literature reports an extensive discussion of strategies and specific principles, quantitative assessment tools are required to identify the marginal improvements in alternative design options, to allow the trade-off among contradictory aspects and to prevent the “risk shift”. In the present work a set of integrated quantitative tools for design assessment (i.e. design support system) was developed. The tools were specifically dedicated to the implementation of sustainability and inherent safety in process and plant design activities, with respect to chemical and industrial processes in which substances dangerous for humans and environment are used or stored. The tools were mainly devoted to the application in the stages of “conceptual” and “basic design”, when the project is still open to changes (due to the large number of degrees of freedom) which may comprise of strategies to improve sustainability and inherent safety. The set of developed tools includes different phases of the design activities, all through the lifecycle of a project (inventories, process flow diagrams, preliminary plant lay-out plans). The development of such tools gives a substantial contribution to fill the present gap in the availability of sound supports for implementing safety and sustainability in early phases of process design. The proposed decision support system was based on the development of a set of leading key performance indicators (KPIs), which ensure the assessment of economic, societal and environmental impacts of a process (i.e. sustainability profile). The KPIs were based on impact models (also complex), but are easy and swift in the practical application. Their full evaluation is possible also starting from the limited data available during early process design. Innovative reference criteria were developed to compare and aggregate the KPIs on the basis of the actual sitespecific impact burden and the sustainability policy. Particular attention was devoted to the development of reliable criteria and tools for the assessment of inherent safety in different stages of the project lifecycle. The assessment follows an innovative approach in the analysis of inherent safety, based on both the calculation of the expected consequences of potential accidents and the evaluation of the hazards related to equipment. The methodology overrides several problems present in the previous methods proposed for quantitative inherent safety assessment (use of arbitrary indexes, subjective judgement, build-in assumptions, etc.). A specific procedure was defined for the assessment of the hazards related to the formations of undesired substances in chemical systems undergoing “out of control” conditions. In the assessment of layout plans, “ad hoc” tools were developed to account for the hazard of domino escalations and the safety economics. The effectiveness and value of the tools were demonstrated by the application to a large number of case studies concerning different kinds of design activities (choice of materials, design of the process, of the plant, of the layout) and different types of processes/plants (chemical industry, storage facilities, waste disposal). An experimental survey (analysis of the thermal stability of isomers of nitrobenzaldehyde) provided the input data necessary to demonstrate the method for inherent safety assessment of materials.

Quantificazione del rischio occupazionale: Indicatori, indici e metodologia fuzzy

La tesi affronta il concetto di esposizione al rischio occupazionale e il suo scopo è quello di indagare l’ambiente di lavoro e il comportamento dei lavoratori, con l'obiettivo di ridurre il tasso di incidenza degli infortuni sul lavoro ed eseguire la riduzione dei rischi. In primo luogo, è proposta una nuova metodologia denominata MIMOSA (Methodology for the Implementation and Monitoring of Occupational SAfety), che quantifica il livello di "salute e sicurezza" di una qualsiasi impresa. Al fine di raggiungere l’obiettivo si è reso necessario un approccio multidisciplinare in cui concetti d’ingegneria e di psicologia sono stati combinati per sviluppare una metodologia di previsione degli incidenti e di miglioramento della sicurezza sul lavoro. I risultati della sperimentazione di MIMOSA hanno spinto all'uso della Logica Fuzzy nel settore della sicurezza occupazionale per migliorare la metodologia stessa e per superare i problemi riscontrati nell’incertezza della raccolta dei dati. La letteratura mostra che i fattori umani, la percezione del rischio e il comportamento dei lavoratori in relazione al rischio percepito, hanno un ruolo molto importante nella comparsa degli incidenti. Questa considerazione ha portato ad un nuovo approccio e ad una seconda metodologia che consiste nella prevenzione di incidenti, non solo sulla base dell'analisi delle loro dinamiche passate. Infatti la metodologia considera la valutazione di un indice basato sui comportamenti proattivi dei lavoratori e sui danni potenziali degli eventi incidentali evitati. L'innovazione consiste nell'applicazione della Logica Fuzzy per tener conto dell’"indeterminatezza" del comportamento umano e del suo linguaggio naturale. In particolare l’applicazione è incentrata sulla proattività dei lavoratori e si prefigge di impedire l'evento "infortunio", grazie alla generazione di una sorta d’indicatore di anticipo. Questa procedura è stata testata su un’azienda petrolchimica italiana.

Sviluppo di metodologie innovative di supporto decisionale alla progettazione basate su indicatori di prestazione

Il progetto di ricerca è finalizzato allo sviluppo di una metodologia innovativa di supporto decisionale nel processo di selezione tra alternative progettuali, basata su indicatori di prestazione. In particolare il lavoro si è focalizzato sulla definizione d’indicatori atti a supportare la decisione negli interventi di sbottigliamento di un impianto di processo. Sono stati sviluppati due indicatori, “bottleneck indicators”, che permettono di valutare la reale necessità dello sbottigliamento, individuando le cause che impediscono la produzione e lo sfruttamento delle apparecchiature. Questi sono stati validati attraverso l’applicazione all’analisi di un intervento su un impianto esistente e verificando che lo sfruttamento delle apparecchiature fosse correttamente individuato. Definita la necessità dell’intervento di sbottigliamento, è stato affrontato il problema della selezione tra alternative di processo possibili per realizzarlo. È stato applicato alla scelta un metodo basato su indicatori di sostenibilità che consente di confrontare le alternative considerando non solo il ritorno economico degli investimenti ma anche gli impatti su ambiente e sicurezza, e che è stato ulteriormente sviluppato in questa tesi. Sono stati definiti due indicatori, “area hazard indicators”, relativi alle emissioni fuggitive, per integrare questi aspetti nell’analisi della sostenibilità delle alternative. Per migliorare l’accuratezza nella quantificazione degli impatti è stato sviluppato un nuovo modello previsionale atto alla stima delle emissioni fuggitive di un impianto, basato unicamente sui dati disponibili in fase progettuale, che tiene conto delle tipologie di sorgenti emettitrici, dei loro meccanismi di perdita e della manutenzione. Validato mediante il confronto con dati sperimentali di un impianto produttivo, si è dimostrato che tale metodo è indispensabile per un corretto confronto delle alternative poiché i modelli esistenti sovrastimano eccessivamente le emissioni reali. Infine applicando gli indicatori ad un impianto esistente si è dimostrato che sono fondamentali per semplificare il processo decisionale, fornendo chiare e precise indicazioni impiegando un numero limitato di informazioni per ricavarle.

Development of advanced tools and methods for the assessment and management of risk due to atypical major accident scenarios

Proper hazard identification has become progressively more difficult to achieve, as witnessed by several major accidents that took place in Europe, such as the Ammonium Nitrate explosion at Toulouse (2001) and the vapour cloud explosion at Buncefield (2005), whose accident scenarios were not considered by their site safety case. Furthermore, the rapid renewal in the industrial technology has brought about the need to upgrade hazard identification methodologies. Accident scenarios of emerging technologies, which are not still properly identified, may remain unidentified until they take place for the first time. The consideration of atypical scenarios deviating from normal expectations of unwanted events or worst case reference scenarios is thus extremely challenging. A specific method named Dynamic Procedure for Atypical Scenarios Identification (DyPASI) was developed as a complementary tool to bow-tie identification techniques. The main aim of the methodology is to provide an easier but comprehensive hazard identification of the industrial process analysed, by systematizing information from early signals of risk related to past events, near misses and inherent studies. DyPASI was validated on the two examples of new and emerging technologies: Liquefied Natural Gas regasification and Carbon Capture and Storage. The study broadened the knowledge on the related emerging risks and, at the same time, demonstrated that DyPASI is a valuable tool to obtain a complete and updated overview of potential hazards. Moreover, in order to tackle underlying accident causes of atypical events, three methods for the development of early warning indicators were assessed: the Resilience-based Early Warning Indicator (REWI) method, the Dual Assurance method and the Emerging Risk Key Performance Indicator method. REWI was found to be the most complementary and effective of the three, demonstrating that its synergy with DyPASI would be an adequate strategy to improve hazard identification methodologies towards the capture of atypical accident scenarios.

Differenze nella prestazione tecnico-tattica tra diverse categorie di atleti nel tennistavolo di alto livello

Nell’ambito della ricerca scientifica nel campo dello sport, la Performance Analysis si sta ritagliando un crescente spazio di interesse. Per Performance Analysis si intende l’analisi della prestazione agonistica sia dal punto di vista biomeccanico che dal punto di vista dell’analisi notazionale. In questa tesi è stata analizzata la prestazione agonistica nel tennistavolo attraverso lo strumento dell’analisi notazionale, partendo dallo studio degli indicatori di prestazione più importanti dal punto di vista tecnico-tattico e dalla loro selezione attraverso uno studio sull’attendibilità nella raccolta dati. L’attenzione è stata posta quindi su un aspetto tecnico originale, il collegamento spostamenti e colpi, ricordando che una buona tecnica di spostamento permette di muoversi rapidamente nella direzione della pallina per effettuare il colpo migliore. Infine, l’obbiettivo principale della tesi è stato quello di confrontare le tre categorie di atleti selezionate: alto livello mondiale maschile (M), alto livello junior europeo (J) ed alto livello mondiale femminile (F). La maggior parte delle azioni cominciano con un servizio corto al centro del tavolo, proseguono con una risposta in push (M) o in flik di rovescio (J). Il colpo che segue è principalmente il top spin di dritto dopo un passo pivot o un top di rovescio senza spostamento. Gli alteti M e J contrattaccano maggiormente con top c. top di dritto e le atlete F prediligono colpi meno spregiudicati, bloccando di rovescio e proseguendo con drive di rovescio. Attraverso lo studio della prestazione di atleti di categorie e generi diversi è possibile migliorare le scelte strategiche prima e durante gli incontri. Le analisi statistiche multivariate (modelli log-lineari) hanno permesso di validare con metodo scientifico sia le procedure già utilizzate in letteratura che quelle innovative messe a punto per la prima volta in occasione di questo studio.