Методы и алгоритмы оценки показателей надежности поэлементно развиваемых технических систем

Характерной чертой современного уровня развития науки и техники является широкое внедрение во многие отрасли промышленности различных технических систем. Ответственность выполняемых функций и большая цена отказа этих систем предъявляют повышенные требования к их надёжности. Обеспечение заданных требований во многом определяется уровнем надёжности, достигнутом на этапе создания системы. В связи с этим особую важность приобретают вопросы, связанные с исследованием надёжности систем в процессе их развития.

В теории надёжности известно большое число методов, инженерных методик, доведённых до алгоритмов и программ. Их авторами являются широко известные учёные [3, 5, 6, 15, 19, 20, 34, 37, 38, 43, 44, 63, 66, 71, 73, 82, 91, 104, 112, 114−116, 120]. Данные работы являются фундаментальными в теории. Однако эти методы часто не удаётся использовать на практике. Это объясняется следующими причинами:

— алгоритмы и программы не позволяют рассчитать надёжность из-за вычислительных трудностей в связи с большими размерностями задач;

— отсутствуют достоверные исходные данные по надёжности и ремонтопригодности отдельных элементов расчёта;

— большинство методов не позволяет учитывать достоверные сведения о надёжности прототипов совершенствуемых систем.

В связи с указанными выше причинами, существующие методы часто не дают необходимой точности расчёта, а иногда и совсем не позволяют получить показатели надёжности систем, даже при использовании современных ЭВМ. Поэтому разработка методов, инженерных методик, алгоритмов и программ анализа надёжности на этапе развития, позволяющих анализировать технические системы, описываемые уравнениями больших размерностей с необходимой достоверностью, является задачей весьма актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является создание теоретической основы для оперативной оценки и управления совершенствованием надежностных характеристик развиваемых технических систем.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

1. Создание методов, повышающих эффективность определения показателей надежности технической системы на этапе совершенствования.

2. Построение алгоритмов расчета надежности при многократной реконфигурации систем.

3. Создание программного обеспечения, соответствующего алгоритмам расчета надежности развиваемых технических систем.

В диссертационной работе предлагается исследуемую техническую систему рассматривать как поэлементно развиваемую. Разработка методов, инженерных методик, алгоритмов и программ для ЭВМ анализа надёжности подобных систем позволит обеспечить достижение указанной выше цели.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Объем работы составляет 151 страницу.

В главе 1 рассмотрены основные особенности современных технических систем. Проведён анализ существующих методов оценки показателей и характеристик надёжности систем. В результате анализа установлено, что известные методы часто не дают возможность на этапе развития с высокой точностью и оперативностью исследовать надёжность технических систем в условиях недостаточной достоверности исходных данных. Формулируются основные понятия и определения развиваемых систем. Рассмотрен процесс надёжностного развития технических систем и доказана возможность представления любой системы на этапе разработки как поэлементно развиваемой. Уточняется формулировка задачи исследования.

В главе 2 формулируется задача анализа надёжности развиваемых систем. Разработаны методы и получены расчётные соотношения, которые позволяют рекуррентно рассчитывать показатели надёжности развиваемой системы с основным соединением элементов при общем и поэлементном резервировании с постоянно включённым резервом и по принципу замещением. Получены рекуррентные формулы для оценки надёжности развиваемых систем произвольной структуры при независимом восстановлении их элементов.

Глава 3 посвящена разработке приближённых методов оценки показателей надёжности технических систем в процессе развития. Предлагается метод эквивалентных систем. Метод основан на замене реальной системы эквивалентными системами, одна из которых даёт верхнюю, а другая нижнюю оценку показателей надёжности. В качестве эквивалентной предлагается выбрать систему с равнонадёжными элементами. Этот подход даёт возможность получить расчётные соотношения, позволяющие оценить надёжность технической системы в процессе развития, при достаточно сложной её структуре, не описываемой графом типа дерева. Рассмотрен также усовершенствованный метод эквивалентных систем. В этой главе изложен приближённый топологический метод анализа путём преобразования ветвей графа. Суть метода состоит в том, что граф состояний реальной системы заменяется преобразованным графом, который приближённо описывает функционирование исследуемой системы. Преобразованный граф получен из графа реальной системы, исходя из предположения, что, начиная из некоторого уровня К, на котором впервые появляются состояния отказа, система состоит из равнонадёжных элементов.

В главе 4 разработано программное обеспечение для расчета показателей надёжности развиваемых систем, предназначенное для технических систем на основе сравнительного пошагового анализа их надёжности. В соответствии с инженерной методикой разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение.

В главе 5 производится расчет показателей надежности реально существующей поэлементно развиваемой технической системы на примере системы вентиляции негазовой угольной шахты. Рассматриваются возможные пути развития системы вентиляции путем резервирования вентиляционного оборудования шахты. При расчете используется предложенная инженерная методика, а также разработанное в четвертой главе программное обеспечение.

В приложении к работе приведены копии актов внедрения результатов диссертации, а также копия диплома лауреата конкурса имени академика Воровича, проводимого Северо-Кавказским научным центром высшей школы и Ростовским отделением Российской Инженерной Академии.

Основные научные результаты работы. В работе получены следующие существенные научные результаты.

1. Методы определения показателей надежности технически развиваемых систем различной структуры.

2. Алгоритмы расчета надежности, основанные на данных методах.

3. Программное обеспечение для расчета надежности совершенствуемых систем.

Новизна научных результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Предложенная математическая модель для расчета надежности сложных технических систем отличается от известных тем, что построена на основе как теории надежности, так и теории развивающихся систем и учитывает особенности развития каждой конкретной системы.

2. Созданная методика определения характеристик надежности при усложнении структуры системы значительно упрощает схему вычислений по сравнению с существующими.

3. Модифицированный метод эквивалентных систем позволяет существенно сократить время расчета по сравнению с прямыми расчетами надежности системы в целом. Точность вычислений при этом достаточно высока.

Основная научная ценность работы. Основную научную ценность работы представляют полученные обоснованные аналитические инструменты оценки надежностных характеристик развиваемых технических систем, отсутствующие ранее. Разработанные инструменты используют как положения теории надежности, так и основные понятия теории развивающихся систем, что позволяет рассматривать их как новый подход в решении поставленной цели.

Практическая полезность работы состоит в том, что разработанная инженерная методика, включающая в себя предложенные в работе методы, доведена до алгоритмов и программ для ЭВМ, что в свою очередь позволяет оперативно выполнять на этапе развития многовариантные расчёты с целью обеспечения её требуемого уровня и выбора наилучшего, с точки зрения надёжности, варианта структуры. Это дало возможность создать программное обеспечение для расчета характеристик надежности системы, позволившее на практике довести эксплуатационную надежность регуляторов в развиваемых системах управления вентиляцией до достаточно высокого уровня — коэффициент готовности был доведен до 97,5% при норме 95%.

Реализация результатов. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение: в ОАО «Ростовуголь» при разработке нового программного обеспечения для исследования и управления вентиляцией негазовых шахт со значительным экономическим эффектомпри выполнении грантов Министерства образования РФ «Моделирование эволюционирующей конструкции ЭВМ в условиях развивающихся интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления производством», Российского фонда фундаментальных исследований «Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов развития в технических системах сетевой структуры различного назначения при изменяющихся условиях эксплуатации» (руководитель Савельев М. В., период действия — 2000;2002 и 2003;2005 гг. соответственно) — в учебном процессе кафедр ЮРГТУ (НПИ) и Новочеркасского военного института связипри получении звания лауреата конкурса молодых ученых и специалистов СКНЦ ВШ в 2003 году.

На защиту выносятся:

1. Методология анализа надёжности технических систем различной структуры с учетом их развития.

2. Аппроксимирующие методы анализа надёжности технических систем в процессе развития: метод эквивалентных систем, приближённый топологический метод оценки показателей надёжности развиваемых систем путём преобразования ветвей графа.

3. Инженерная методика оценки показателей надёжности технических систем в процессе развития.

4. Программное обеспечение для анализа надёжности технических систем на этапе развития.

Апробация исследования. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», ЮРГТУ, 2001 г.- III-й международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы», ЮРГТУ, 2002 г.- Ш-й международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства», ЮРГТУ, 2003 г. — Научно-техническом семинаре с международным участием «Информационные микропроцессорные системы мониторинга, диагностики и управления сложными техническими объектами, организационно-техническими системами и комплексами», ТРТУ, 2003 г.- Четвертой международной научно-технической конференции «Интеллектуальные многопроцессорные системы и комплексы» (г.Таганрог, 2003 г.) — На конкурсе Ростовского отделения Российской инженерной академии и Северо-Кавказского научного центра высшей школы на лучшую работу среди молодых ученых вузов, научно-исследовательских институтов и специалистов предприятий Ростовской области в 2003 г.

9. Результаты работы внедрены и используются в учебной деятельности Южно-Российского государственного технического университета, в лабораторном практикуме по курсу «Компьютерные технологии в правовой практике», при изучении раздела «Электронные системы и сети», что позволило повысить степень усвоения студентами учебного материала за счет наглядности и доступности интерфейса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные теоретические и прикладные результаты работы можно представить следующим образом.

1. Осуществлен анализ применимости существующих методов расчета надежности к исследованию современных технических систем в процессе их развития, рассмотрены методы повышения надежности при анализе различных систем. В результате было установлено, что существующие технические системы целесообразно рассматривать в процессе их проектирования как системы развиваемые, что в свою очередь позволит упростить анализ их надёжности и даст возможность повысить точность расчётов. Принят во внимание тот факт, что понятие поэлементно развиваемой системы является принципиально новым подходом к оценке надёжности современных технических систем. Существующие методы вычисления показателей надежности, являясь достаточно сложными, предназначены для оценки параметров безотказности простых структур и далеки от объективного решения комплексных задач при синтезе современных технических систем. Сказанное свидетельствует в пользу необходимости новых методик, позволяющих в процессе проектирования рассчитать показатели надёжности систем с большим числом состояний и при различных дисциплинах обслуживания, так как существующие методы для этих целей не подходят.

2. Разработаны и исследованы методы расчета надежности развиваемых систем с последовательным соединением элементов, с общим и раздельным их резервированием. Данные методы основаны на представлении технической системы как развиваемой и показывают зависимость надежности этой системы от характера резервирования составляющих ее элементов. Соответствующие рекуррентные формулы, полученные для коэффициента готовности и наработки на отказ, позволяют рассчитать надёжность развиваемой системы с последовательным соединением элементов при общем и раздельном резервировании с постоянно включённым резервом и по принципу замещения. Аналитические алгоритмы легко программируются для ЭВМ, дают возможность рассчитать показатели надёжности с высокой точностью, ввиду возможности использования полученных из эксплуатации достоверных данных о надёжности прототипа.

3. На основании вышеописанных методов представлена обобщенная методика анализа надежности развиваемой системы с произвольной структурой при независимом восстановлении её элементов. Полученные рекуррентные формулы для оценки надёжности развиваемых систем произвольной структуры при независимом восстановлении их элементов позволяют оценить надёжность развиваемых систем, функционирование которых описывается графом произвольной структуры. Данные формулы дают возможность анализировать надёжность систем при произвольных законах распределения времени между отказами и восстановлениями.

4. На примере конкретных систем с заданными и предполагаемыми путями развития апробированы вышеописанные методы расчета характеристик надежности.

5. Предложены приближенные методы оценки надежности технических систем, позволяющие оценивать надёжность развиваемых систем, функционирование которых описывается произвольными графами и применяющиеся для сравнительной оценки различных схемных решений на этапе предварительного проектирования системы, когда, как правило, не требуется точных значений показателей надёжности. В результате был сделан ряд важных выводов. Установлено, например, что применение топологического метода анализа надёжности систем путём преобразования ветвей графа даёт возможность сократить число рассматриваемых состояний системы, что позволяет существенно уменьшить трудоёмкость выполняемых расчётов. Приведенные же примеры практической реализации расчета характеристик надежности по рассмотренным методам наглядно демонстрируют простоту и точность производимых расчетов и преобразований применительно к реально существующим развиваемым техническим системам.

6. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, позволяющие оценивать надежность развиваемых технических систем с достаточной точностью и скоростью. Имея простой интерфейс, предлагаемое программное обеспечение позволяет производить расчеты систем, представленных несколькими тысячами элементов и может использоваться для сравнительной оценки различных вариантов развития систем как на этапе разработки системы, так и в процессе ее функционирования, при ее реструктуризации, декомпозиции и т. п. Использование расчетной программы в инженерной деятельности помогает более точно и оперативно выбрать оптимальный путь развития системы, что значительно уменьшает трудоёмкость выполняемых расчётов.

7. На примере систем управления воздухораспределением в развиваемой системе вентиляции негазовых шахт апробированы инженерные методы анализа надежности технических систем в процессе их поэлементного развития. Было отмечено, во-первых, что применение указанных методов при расчете системы управления воздухораспределением негазовой шахты дало высокие результаты по скорости и точности выполнения расчетов. Во-вторых, при использовании на практике предлагаемая методика позволяет избежать избыточного резервирования в процессе развития системы, обеспечивая одновременно ее надежность и экономичность. Кроме того, при расчете показателей надежности было применено разработанное ранее программное обеспечение, высокая точность и быстродействие которого позволили оперативно выбрать оптимальную структуру развиваемой системы, определив величину реального повышения соответствующих характеристик надежности.

8. В промышленной сфере результаты диссертационной работы были внедрены в технической деятельности открытого акционерного общества «Ростовуголь». Применение комплекса прикладных программ, предназначенного для расчета характеристик надежности технических систем с учетом особенностей их развития, позволило сократить непроизводительный расход электроэнергии на сто киловатт-часов в сутки, а также уменьшить уровень запыленности при увеличении нагрузки на очистной забой. Реальный годовой экономический эффект от внедрения результатов научной работы составил один миллион двести тысяч рублей.