Математические модели, методы и комплексы программ анализа и обеспечения надежности и живучести структурно-сложных энергетических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Холодных, Павел Владимирович

• Холодных, Павел Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Холодных, Павел Владимирович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

1.1 Общая постановка задачи структурно-логического анализа работоспособности.

1.2 Анализ методов математического моделирования работоспособности технических комплексов и расчета функций работоспособности и неработоспособности.

1.2.1 Методы деревьев отказов и деревьев событий.

1.2.2 Методы получения ФРС на основе моделей структуры ТК в форме графов и матриц непосредственных связей.

1.2.2.1 Методы, основанные на вычислении логических определителей.

1.2.2.2 Методы возведения в степень матрицы непосредственных связей.

1.2.2.3 Метод исключения промежуточных узлов.

1.2.2.4 Некоторые поисковые методы.

1.2.3 Методы получения ФРС на основе модели структуры ТК в форме системы логических уравнений.

1.2.3.1 Решение систем логических уравнений методом подстановок.

1.2.3.2 Решение систем логических уравнений методом определителей.

1.2.3.3 Методы символьных итераций.

1.2.3.4 Общий логико-вероятностный метод.

1.2.3.5 Получение ФРС на основе общего решения системы логических уравнений.

1.3 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ АТК И АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ВЫВОДА ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ.

2.1 Математическая модель структуры А ТК.

2.2 Математическая модель работоспособной конфигурации.

2.3 Свойства работоспособных конфигураций.

2.4 Математическая модель работоспособности АТК в форме маркированной системы логических уравнений.

2.5 Аналитический метод вывода функций работоспособности элементов.

2.6 Примеры вывода функций работоспособности.

2.7 Определение минимальных сечений отказов и структурных функций для немонотонных критериев.

2.8 Выводы.

3 СИСТЕМА ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ АТК И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА.

3.1 Система детерминированных показателей отказоустойчивости.

3.2 Численные методы расчета детерминированных показателей отказоустойчивости.

3.3 Пример расчета показателей отказоустойчивости.

3.4 Выводы.

4 ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ СТРУКТУРНОГО КОНТУРА РЕКОНФИГУРАЦИИ АТК ПРИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ КОМБИНАЦИЯХ ОТКАЗОВ.

4.1 Общая постановка задач структурного управления многоагрегатными АТК при отказах.

4.2 Состояние теории и методов выработки решений по реконфигурации структуры

А ТК при отказах.

4.2.1. Конструктивно-логический метод управления структурой корабельной энергетической установки (метод Недялкова К.В.).

4.2.2. Метод резервных матриц инциденций при выборе решений по перестройке структуры (метод Ярошенко A.B.).

4.2.3. Анализ рассмотренных методов.

4.3 Численный метод реконфигурации.

4.4 Пример использования численного метода реконфигурации.

4.5 Выводы.

5 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ, ЖИВУЧЕСТЬЮ И БЕЗОПАСНОСТЬЮ» И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ.

5.1 Функции ПК «САиУНБЖ» и его организация.

5.2 Сравнение вариантов схем первичной сети электроэнергетической системы судна.

5.3 Сравнение вариантов топологической структуры укрупненной энергосистемы гипотетического судна по критериям живучести.

5.4 Применение ПК «САиУ НБЖ» для выработки решений по реконфигурации структур при повреждениях.

5.5 Анализ структурно-сложного А ТК с множеством взаимодействующих подсистем.

5.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические модели, методы и комплексы программ анализа и обеспечения надежности и живучести структурно-сложных энергетических систем»

Настоящая диссертация посвящена анализу и обеспечению надежности и живучести сложных энергетических систем (ЭС), таких как энергоблоки атомных и тепловых электростанций, энергосистемы и/или функциональные комплексы технических средств энергообеспечения судов. Современные ЭС рассматриваемого класса являются многоагрегатными автоматизированными техническими комплексами (далее АТК) и представляют собой пространственно распределенные системы взаимосвязанных агрегатов и устройств, обменивающихся друг с другом потоками энергии, вещества и информации различного рода. Так, например, энергосистема судна представляет собой совокупность взаимосвязанных подсистем: главной энергоустановки, электроэнергетической системы, системы судовой гидравлики, системы охлаждения судового оборудования, вспомогательных и обеспечивающих систем. Кроме того, неотъемлемой частью ЭС являются информационные и управляющие системы, обеспечивающие как саму возможность протекания физических и технологических процессов в АТК, так и сохранение их работоспособности и безопасности функционирования при различных типах параметрических и структурных возмущениях.

К таким АТК предъявляются высокие требования к уровням их системной надежности и живучести. Ввиду наличия подсистем с рабочими средами с высокой энергией, а в случае атомных энергоблоков и радиоактивных веществ, к ним (АТК) предъявляются высокие требования по безопасности их эксплуатации для персонала, населения и окружающей среды.

Для удовлетворения этим требованиям при проектировании АТК рассматриваемого класса применяются различные конструктивные, технические и технологические решения. Кроме применения оборудования повышенной надежности в АТК используются различные виды избыточности. Наиболее широко применяются традиционные виды структурного резервирования (введения дополнительных (резервных) элементов). Кроме того, что особенно важно отметить, при проектировании отдельных подсистем АТК широко используются так называемые сетевые структуры: мостиковые, кольцевые, магистральные, лестничные и другие схемы соединения элементов. Такие технические решения обеспечивают вместе с вводимой энергетической и/или вещественной избыточностью агрегатов возможность перестройки (реконфигурации) структуры для сохранения работоспособности и безопасности функционирования АТК при множественных отказах элементов и, как следствие, достижение высоких уровней надежности и живучести.

Системы с такими структурами описаны в современной технической литературе. Так, в книгах Г.С. Ясакова [93] и Л.Н.Токарева [71] представлены принципиальные схемы первичных сетей электроэнергетических систем (ЭЭС) современных отечественных и зарубежных кораблей. Рассматриваются ЭЭС с кольцевой, лестничной и колесной структурами. В книгах В.М. Букалова и A.A. Нарусбаева [12], Д.А. Романова [60] и учебнике [56] приведены типовые структуры систем воздуха высокого давления, систем погружения и всплытия, систем судовой гидравлики, систем охлаждения судового оборудования, представляющие собой магистральные, лестничные и комбинированные структуры, в том числе с дублированными магистралями.

Возникновение в АТК неизбежных при длительной эксплуатации нарушений, даже единичных отказов отдельных структурных единиц из-за их естественной ненадежности приводит к дебалансу потоков энергии и вещества между агрегатами. В результате чего другие агрегаты могут оказаться перегруженными и, в свою очередь, могут либо быть принудительно выведены из рабочего состояния средствами аварийной защиты, либо в случае несрабатывания (или отсутствия) защиты - потерять работоспособность. То есть одно аварийное событие влечет за собой цепочку аварийных событий, вызывая каскад отказов и поломок.

Еще более серьезные последствия имеют место при внешних разрушающих воздействиях (ВРВ), не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации. Так, воздействия пожаров, взрывов, затоплений, рабочих сред с высокой энергией при разгерметизации систем вызывают множественные поломки (как первичные, так и вторичные) в различных частях АТК и приводят к практически полной неопределенности конечного состоянии системы и непредсказуемости конечных последствий.

В статье [21] ее авторы Б.Г. Волик и А.И. Кибзун отмечают следующее: «Несмотря на то, что проблема безопасности имеет давнюю историю, количество и размеры аварий (катастроф) в мире неуклонно растут. Причин такого положения значительное число и среди них, мы убеждены, главной является недостаточная теоретическая разработка проблемы».

В статье академика Легасова В.А. [38] о причинах аварий и катастроф говорится более определенно: «.тщательный анализ аварийных событий свидетельствует о том, что центр тяжести проблем лежит все-таки в области управления, где человеческий фактор наиболее существен. Выясняется, что сами инструкции были либо не очень точны и не предусматривали, а в некоторых случаях и не могли предусмотреть правил поведения при возникновении нештатных режимов».

Действительно, при создании современных АТК возникает ряд нерешенных проблем как в теории проектирования их структур, в частности при выборе функционально-топологических и технических, так и в теории управления при решении задач выработки воздействий на объект при структурных возмущениях. Отмеченные проблемы наиболее ярко были выражены еще в 1976 году О.П. Демченко в его постановочной статье «Проблемы организации систем управления судовыми техническими средствами» [29]. В ней, в частности, отмечается, что «. несмотря на огромный опыт проектирования управляющих систем и широкое применение в мировой практике иерархического принципа их построения, результаты эксплуатации выявляют, тем не менее, случаи неправильной организации систем. Это наиболее отчетливо и остро проявляется в аварийных режимах работы УС, вызванных отказами и повреждениями в самой системе и линиях ее связи. Нарушения при этом заложенной в УС логики функционирования может приводить к формированию неправильных воздействий на объекты управления или к потере управления ими, возникновению на судне аварийных ситуаций, к поломкам оборудования и авариям ТК». Отмечается при этом, что «. для обеспечения живучести УС ее размещение на судне (включая и кабельные трассы) должно быть таким, чтобы при возникновении на судне ВРВ система не могла быть выведена из строя настолько, что оказалось бы потерянным управление техническими средствами, определяющими безопасность плавания». В статье О.П. Демченко формулируются на содержательном уровне требования к безусловному обеспечению устойчивости функционирования УС (не по вероятности, а детерминировано) при отказах в аппаратуре и линиях связи, по крайней мере, при любых отказах заданной кратности.

На сегодняшний день нет сколько-нибудь законченных результатов и по решению задач выработки управляющих воздействий по реконфигурации структуры АТК в условиях непредсказуемых аварийных ситуаций, при возникновении заранее непредсказуемых комбинаций отказов компонентов для сохранения работоспособности системы «технический комплекс (ТК) + управляющая система (УС)» как единого целого и обеспечения безопасности работы такой системы.

В последние десятилетия большое внимание уделяется теоретическим, методологическим и прикладным исследованиям и разработкам, направленным на объективную оценку и обеспечение надежности, безопасности и живучести такого класса сложных систем. Среди многочисленных работ отметим, прежде всего, фундаментальные труды И.А. Рябинина в области корабельной энергетики [50, 62-64] и Б.Г. Волика в области анализа и синтеза структур управляющих систем и проблем техногенной безопасности [17-20, 22], Ю.В. Руденко и И.А. Ушакова в области живучести систем большой энергетики [44, 59], а также труды .известных ученых в области надежности и вероятностного анализа безопасности объектов атомной энергетики А.И. Клемина [36], В.А. Острейковского и Ю.В. Швыряева [47], A.M. Бахметьева, О.Б. Самойлова и Г.П. Усынина [9], Г.А. Ершова [32]. Упомянем здесь и работы специалистов в области исследования и проектирования управляющих систем функциональных комплексов технических средств корабля [2-7, 15, 25, 26, 67].

Применение разнообразных сетевых схем соединений элементов привело к тому, что ни структура отдельных подсистем, ни структура АТК в целом не могут быть графически представлены в каком-либо регулярном виде (последовательно-параллельной или параллельно-последовательной структурой). Принципиальной особенностью изучаемых АТК является наличие в них (по меткому выражению академика В.А. Трапезникова [72]) множества «переплетающихся обратных связей» - замкнутых технологических контуров, в которых осуществляется выработка, преобразование и передача различных видов энергии и рабочих сред между подсистемами и агрегатами для самоподдержания основных энергетических процессов в системе. Кроме того, проведение анализа таких систем требует учета в их математических моделях большого количества разнородных причинно-следственных связей между процессами, протекающими во множестве агрегатов, объединенных в сложные структуры. Поэтому такие автоматизированные комплексы в научной литературе принято относить к классу структурно-сложных. И, как следствие, задачи анализа и объективной оценки качества структурной организации и уровней надежности, живучести и безопасности АТК является исключительно трудной.

Решение отмеченных проблем требует разработки математических моделей, корректно описывающих в аналитическом виде все отмеченные выше структурные особенности рассматриваемого класса АТК и их управляющих систем и обеспечивающих проведение всестороннего структурного анализа их работоспособности.

Цель структурного анализа работоспособности состоит в изучении того, как структурные возмущения (повреждения агрегатов и устройств технической системы) влияют на функционирование всего АТК. Задачи структурного анализа имеют, как известно, комбинаторную сложность. При большом числе агрегатов и произвольной (т.е. не сводящейся к последовательно-параллельной или к какой-либо иной регулярной) структуре связей между ними число возможных состояний АТК в целом, как известно, столь велико, что прямой полный их перебор на практике не осуществим [6, 7, 66, 67]. Поэтому ограничиваются, как правило, перебором и детальным рассмотрением аварийных ситуаций, вызванных только одиночными и двойными нарушениями или отказами.

Среди большого количества известных моделей анализа и оценки надежности и безопасности можно выделить несколько лидирующих.

Широкую известность получили так называемые логико-вероятностные методы (JIBM) оценки структурной надежности и безопасности структурно-сложных систем, развиваемые И.А. Рябининым и его последователями и учениками Г.Н. Черкесовым, Ю.М. Парфеновым, A.C. Можаевым, Г.А. Ершовым и другими известными учеными [28, 32, 42, 43, 50, 62-65, 88, 89]. Можно выделить методы и модели, основанные на построении так называемых деревьев отказов (ДО) и деревьев событий (ДС) [1], а также модели, основанные на построении графов связности [68, 69] и схем функциональной целостности [28, 41, 42], которые согласно B.C. Викторовой и A.C. Степанянцу [13] также можно отнести к логико-вероятностным.

Во всех упомянутых работах, даже в рамках принятой гипотезы о бинарности состояний элементов и независимости в совокупности их отказов, не до конца решенной остается задача получения так называемых структурных функций работоспособности (ФРС) и неработоспособности (ФНРС).

Получению структурных функций ФРС и ФНРС работоспособности и безопасности в форме так называемых кратчайших путей успешного функционирования (КПУФ) и минимальных сечений отказов (МСО), введенных ранее Р. Барлоу и Ф. Прошаном [8], для ограниченного класса структур, в частности для двухполюсников, предложено несколько формализованных методов. Для систем, структура которых представима так называемым «ИЛИ-графом», известны методы и алгоритмы В.Н. Рогинского [58], И.Л. Иваницкой [34], В.Г. Китушина [35], A.C. Смирнова. [68, 69]. Для систем, представимых более сложной логикой функционирования элементов, в частности «И/ИЛИ-графами», A.C. Можаевым [28, 41, 42] в рамках разработанного им общего логико-вероятностного метода (ОЛВМ) предложены методы и алгоритмы получения ФРС (ФНРС), основанные на графическом представлении структуры системы так называемыми «схемами функциональной целостности» (СФЦ). Этот алгоритмический подход положен, как нам известно, в основу отечественных Программных комплексов «АРБИТР» [52] и «БАРС» [53]. Однако этот подход, также как и подход, основанный на построении ДО, значительной степени носит «эвристический» характер. Как для построения ДО, так и построения СФЦ требуется большая творческая работа с привлечение эвристических знаний специалистов предметной области.

Недостатком и существенным ограничением области применения отмеченных выше методов является то, что они «не приспособлены» для выполнения в полном объеме анализа технических систем, содержащих замкнутые технологические контуры, и по этой причине не позволяют произвести полный структурный анализ работоспособности (вывод структурных функций работоспособности и безопасности) изучаемых в работе АТК. Это потребовало существенного развития математических моделей и методов для формализованного получения структурных функций работоспособности для систем с произвольными структурами и произвольным числом замкнутых контуров, обеспечивающих самоподдержание основных технологических и энергетических процессов в АТК. Основное направление исследований, как будет показано ниже, связано с разработкой методов построения корректных математических моделей структуры АТК, в частности в форме систем логических уравнений (СЛУ) [10, 11, 37, 89, 90], учитывающих структурные особенности АТК, и разработке специальных методов решения СЛУ с получением конечного результата в виде ФРС и ФНРС. При этом удается полностью исключить необходимость в реализации каких бы то ни было переборных алгоритмов.

Важно отметить, что для потенциально опасных объектов важны, как отмечает О.П. Демченко [29], оценки не столько вероятностных показателей надежности и безопасности, сколько оценка показателей качества структурного построения по детерминированным показателям, однозначно определяющих «запас прочности» каждой конкретной технической системы при произвольных комбинациях отказов элементов. Такие детерминированные показатели (например, система показателей V-. d- и га-отказоустойчивости) введены в научной и технической литературе (см. например [7]), однако методы их численного расчета практически отсутствуют.

Параллельно с задачами анализа и выбора структурного построения АТК (функционально-топологических, технических и других видов структур) и их управляющих систем в последние десятилетия выполнены исследования по методам и алгоритмам выработки управляющих решений по реконфигурации (перестройке) структуры АТК при любых заранее непредсказуемых комбинациях отказов элементов и линий связи. Целью реконфигурации как вида управления является использование всех видов избыточности, заложенных в АТК, для обеспечения его бесперебойного функционирования, сохранения работоспособности и безопасности.

Среди наиболее продвинутых работ в этом направлении отметим работы К.В. Недялкова [45] и A.B. Ярошенко [91, 92]. Среди зарубежных исследователей следует отметить направление, связанное с использованием идеологии искусственного интеллекта [103].

Алгоритм К.В. Недялкова является, по существу, специализированным для задач управления структурой первичной сети судовых ЭЭС в зависимости от технического состояния генераторов и автоматических выключателей с целью обеспечения бесперебойного питания потребителей электроэнергии при любых отказах в системе. Хотя алгоритм не требует полного перебора состояний системы для принятия решения по реконфигурации, его возможности по практической реализации ограничены. Алгоритмы не учитывают влияния на работоспособность «первичных» источников энергии (генераторов) обеспечивающих их работу смежных систем - систем охлаждения судового оборудования, систем смазки и других, которые для своего функционирования требуют в свою очередь наличия электроэнергии. То есть предлагаемые модели не описывают наличия многочисленных технологически замкнутых контуров «самоподдержания» энергетических процессов в системе, технологических обратных связей. Поэтому представляется не обоснованным и даже неприемлемым прием искусственного «стягивания» всех генераторов в одну точку.

Метод, предложенный A.B. Ярошенко и названный им «методом резервных матриц» [91, 92], обеспечивает решение задач реконфигурации в ограниченной и существенно упрощенной постановке. Рассматривается управление процессом подключения только резервных связей с учетом приоритетов в очередности включения при отказах основных связей. Алгоритм не рассматривает систему в целом, а оперирует лишь состоянием отдельных элементов на «локальных» уровнях. При таком подходе не могут быть учтены и использованы «богатые» возможности кольцевых, лестничных и магистральных структур, изначально заложенные в них проектантами. В силу этого отсутствует математический аппарат определения факта достижения всей системой, а не отдельными ее элементами, цели своего функционирования и отсутствует возможность развития математического аппарата.

В настоящей диссертация используется терминология основных понятий в области работоспособности, надежности, живучести, отказоустойчивости и безопасности, а также в области видов структур и видов управления, установленная государственными стандартам [26, 27], также общепринятая в теории управления [16, 20] и теории надежности [24, 30, 51, 75].

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, методов и программных средств, обеспечивающих решение задач анализа и оценки качества структурной организации ЭС по критериям надежности и живучести при проектировании и принятия оперативных решений по реконфигурации ее структуры для восстановления работоспособности при произвольных комбинациях отказов элементов при эксплуатации.

При этом должны быть учтены реальные особенности ЭС с большим числом элементов и различными видами и характером связей между ними, а оценка структурной организации должна проводиться как по вероятностным показателям надежности, так и по детерминированным показателям живучести.

Главной научной задачей диссертационной работы является разработка специального математического аппарата, обеспечивающего для рассматриваемого класса ЭС решение задач, сформулированных в поставленной цели.

Для решения этой главной задачи поставлены и решены следующие частные научные и практические задачи:

1. Разработана математическая модель работоспособности ЭС в форме алгебраической системы логических уравнений, описывающей структуру ЭС и связывающей в неявном виде состояние работоспособности энергетической системы в целом с состояниями работоспособности всех ее элементов. Предложенная модель основывается на структурно-логическом и структурно-функциональном подобии исследуемому объекту.

2. Разработан метод аналитического вывода логических функций работоспособности системы на основе решения алгебраической СЛУ.

3. Разработаны методы численного расчета предложенных в работе детерминированных показателей качества структурной организации ЭС, оценивающих уровень ее отказоустойчивости и живучести при отказах элементов любой кратности.

4. Разработаны алгоритмы принятия управляющих решений по реконфигурации структуры ЭС при произвольных комбинациях отказов (заранее не заданных и не исследованных), которые могут быть использованы при проектировании систем информационной поддержки персонала управления при принятии оперативных решений по восстановлению работоспособности ЭС.

5. Создан программный комплекс, предназначенный для анализа надежности и живучести ЭС и выработки решений по реконфигурации структуры ЭС. Объектом исследования являются энергетические системы, которые с точки зрения теории надежности и теории живучести относятся к структурно-сложным.

Предметом исследования является надежность, живучесть и отказоустойчивость рассматриваемого класса ЭС.

В работе использовались методы системного анализа, дискретная математика (теория множеств, булева алгебра, булевы функции), теория вероятностей, комбинаторный анализ, метод В. С. Левченкова решения систем логических уравнений и логико-вероятностный метод И. А. Рябинина расчета показателей надежности.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Математическая модель работоспособности ЭС в форме алгебраической системы логических уравнений.

2. Метод аналитического вывода функций работоспособности системы на основе решения системы логических уравнений.

3. Методы численного расчета детерминированных показателей отказоустойчивости ЭС на основе функций работоспособности системы.

4. Численно-аналитический метод синтеза работоспособной конфигурации ЭС для восстановления ее функционирования при отказах элементов. Научная новизна заключается в следующем: предложенные модели и методы позволяют описывать и анализировать структурно-сложные ЭС, содержащие кольцевые, магистральные, колесные, лестничные и др. структуры, замкнутые технологические контуры, а также средства информационного обмена между элементами управляющей системы.

Практическая ценность работы. Разработанные математический аппарат, математические методы и программные средства обеспечивают решение возникающих на уровне генерального конструктора проекта ЭС задач объединения в единое целое множества подсистем, разрабатываемых различными предприятиями:

1. Выявление «узких мест» в структуре ЭС с целью принятия технических решений по предотвращению создания систем, в которых одиночные отказы, или наложение нескольких отказов могут привести к невыполнению системой своего назначения или авариям.

2. Проверка выполнимости детерминированных требований нормативно-технической документации и технических заданий к функционированию системы при т.н. максимальных проектных авариях, например, критерия единичного отказа и др.

3. Выполнение проектных расчетов вероятностных показателей надежности ЭС, а также расчетов показателей живучести.

4. Разработка (синтез) алгоритмов выработки решений по реконфигурации структуры ЭС при решении задач борьбы за живучесть при любых заранее непредсказуемых комбинациях отказов компонентов (элементов и линий связи), т.е. решение задачи, «какую собрать работоспособную структуру из оставшихся в строю элементов».

Реализация результатов работы. Результаты работы использовались в ООО «АЭС-Буран» для анализа структуры систем и оценки изменения показателей безопасности АЭС. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Системный анализ и управление» СПбГПУ для дисциплин «Проектирование информационно-управляющих систем» и «Теория надежности информационно-управляющих систем».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на XIV, XV и XVI Всероссийских научно-методических конференциях «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (СПб., 2010, 2011, 2012), ХЫП международной научной конференции «Процессы управления и устойчивость» (СПб, 2012).

Личный вклад автора. Основные научные положения, алгоритмы и их программная реализация, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах [76-86], среди которых 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК, 10 докладов на всероссийских и международных научно-практических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и приложения. Работа изложена на 159 страницах, содержит 34 рисунка, 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Холодных, Павел Владимирович

Результаты работы докладывались и обсуждались на XIV, XV и XVI Всероссийских научно-методических конференциях «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах» (СПб., 2010, 2011, 2012), ХЫП международной научной конференции «Процессы управления и устойчивость» (СПб, 2012).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и научно обоснованы математические модели, методы и программные комплексы для решения двух взаимосвязанных и принципиально важных для практики задач:

1. задачи сравнительного анализа вариантов структурной организации энергетических систем АТК (топологических и технических структур) по детерминированным и вероятностным показателям надежности и живучести для выбора рациональных при проектировании;

2. задачи выработки оперативных решений по реконфигурации структур энергетических систем АТК при любых заранее непредсказуемых комбинациях отказов компонентов в процессе эксплуатации.

Среди основных результатов диссертации отметим следующие:

1. Разработаны математические модели структурной организации и работоспособности структурно-сложной ЭС.

2. Разработан аналитический метод получения логических структурных функций работоспособности, описывающих логические условия сохранения работоспособности всей ЭС и отдельных ее подсистем.

3. Разработаны методы численного расчета совокупности детерминированных показателей качества структурной организации, оценивающих отказоустойчивость ЭС.

4. Разработан математический метод выбора целевой работоспособной конфигурации поврежденного АТК для обеспечения его работоспособности при произвольных, заранее не заданных комбинациях отказов.

5. Создан программный комплекс «САиУ НБЖ», предназначенный для анализа надежности и живучести АТК и информационной поддержки принятия оперативных решений по реконфигурации структуры АТК.

Эффективность и корректность разработанных моделей, методов и программных комплексов была продемонстрирована при решении ряда тестовых задач, имеющих практическую ценность:

5. Задачи сравнения вариантов построения схем первичной сети электроэнергетической системы судна с кольцевой и лестничной структурами как по детерминированным показателям отказоустойчивости, так и по традиционным вероятностным показателям надежности.

6. Задачи сравнения альтернативных и выбор рационального варианта топологической структуры укрупненной энергосистемы гипотетического судна по критериям живучести с определением всех возможных комбинации одиночных, двойных и т.д. отказов элементов и связей, которые приводят к выходу из строя всей системы и выработкой оптимальных рекомендаций по защите участков силовых электрических и сигнальных (информационных) магистралей, стойкости которых требуется безусловно обеспечить для выполнения требований к живучести.

7. Задачи выработки решений по реконфигурации судовой электроэнергетической системы при произвольных комбинациях отказов.

8. Задачи анализа работоспособности структурно-сложной энергетической системы судна, состоящей из четырех взаимодействующих систем: электроэнергетической системы, системы охлаждения судового оборудования, системы гидравлики и системы управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Холодных, Павел Владимирович, 2012 год

1. Анализ диагностического дерева отказов (РТА) / МЭК 61025. 1990.

2. Астров, В. В. Основы методологии синтеза структуры управляющих систем по критериям надежности, живучести и эффективности / В. В. Астров, И. П. Симаков // Материалы X Всесоюзного совещания по проблемам управления. М.: Наука, 1986.

3. Астров, В. В. Применение методов вероятностной логики и исследования операций к анализу живучести пространственно распределенных энергетических систем / В. В. Астров, И. П. Симаков,

4. Г. Н. Черкесов / под ред. акад. Ю.Н. Руденко // В кн.: Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики // Вып. 20 «Живучесть систем энергетики». Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1980.-С. 32-42.

5. Барлоу, Р. Математическая теория надежности / Р. Барлоу, Ф. Прошан. М.: Советское радио, 1969. - 488 с.

6. Бахметьев, А. М. Методы оценки и обеспечения безопасности ЯЭУ /

7. A. М. Бахметьев, О. Б. Самойлов, Г. П. Усынин. М.: Энергоатомиздат. 1988,- 136 с.

8. Бохман, Д. Двоичные динамические системы / Д. Бохман, X. Постхоф. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -401 с.

9. Брусенцов, Н. П. Решение булевых уравнений / Н. П. Брусенцов, Ю. С. Владимирова //В сб. Методы математического моделирования // Под ред. A.A. Самарского и В.И. Дмитриева. Труды ф-та ВМиК МГУ. -М.: Диалог-МГУ, 1998. С. 59-68.

10. Букалов, В. М. Проектирование атомных подводных лодок (по материалам иностранной печати). Второе, переработанное и дополненное издание / В. М. Букалов, А. А. Нарусбаев Л.: Изд-во «Судостроение», 1968. - 332 с.

11. Викторова, В. С. Модели, методы и программное обеспечение для анализа надежности, безопасности, эффективности технических систем /

12. B. С. Викторова, А. С. Степанянц // Труды международной научной школы МА БР-2005/ГОУ ВПО «СПБГУАП». СПб., 2005. С. 144 - 146.

13. Войтецкий, В. В. Развитие методологии, теории и принципов организации КСУ ТС кораблей (судов) и управляющих систем типа

14. АСУ ТП технических комплексов с повышенным риском эксплуатации / В. В. Войтецкий, И. П. Симаков // В Юбилейном научно-техническом сборнике НПО "Аврора". СПб, 1995. - С. 46-86.

15. Волик, Б. Г. Теория управления, терминология. Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 107. / Б. Г. Волик (отв. редактор). -М.: Наука, 1988.-56 с.

16. Волик, Б. Г. Анализ и синтез структур управляющих систем / Б. Г. Волик, Б. Б. Буянов, Н. В. Лубков, В. И. Максимов, А. С. Степанянц / под ред. Б. Г. Волика. М.: Энергоатомиздат, 1988. -296 с.

17. Волик, Б. Г. О концепциях техногенной безопасности / Б. Г. Волик // Автоматика и телемеханика. 1998. - №2. - С. 165 - 170.

18. Волик, Б. Г. Проблемы анализа техногенной безопасности / Б. Г. Волик // Автоматика и телемеханика. 2002. - № 12. - С. 174 -180.

19. Волик, Б. Г. Термины работоспособности объектов техники / Б.Г. Волик // Труды международной научной школы МА БР-2005/ГОУ ВПО «СПБГУАП». СПб., 2005. - С. 134 - 139.

20. Волик, Б. Г. Моделирование и оценка риска в сложных системах / Б. Г. Волик, А. И. Кибзун //Автоматика и телемеханика. 2003. - № 7. -С. 3-4.

21. Волик, Б. Г. Эффективность, надежность и жвучесть управляющих систем / Б. Г.Волик, И. А. Рябинин // Автоматика и телемеханика. -1984.-№12.-С. 151-160.

22. Гаврилов, М. А. Структурная избыточность и надежность работы релейных устройств / М. А. Гаврилов // Труды 1-го Международного конгресса международной федерации по автоматическому управлению. М.: Изд-во АН СССР, 1961. - Т. 3. - 25 с.

23. Гнеденко, Б. В. Математические методы в теории надежности / Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляев, А. Д. Соловьев. М.: Наука. - 1965. -524 с.

24. ГОСТ 19176-85. Межгосударственный стандарт. Системы управления техническими средствами корабля. Термины и определения. М.: Издательство стандартов. - 1985.

25. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Издательство стандартов. - 1990.

26. Громов, В. Н. Теоретически основы общего логико-вероятностного метода автоматизированного моделирования систем. Учебное пособие / В. Н. Громов, А. С. Можаев. СПб.: Изд-во Военного инженерно-технического университета, 2000 г. - 145 с.

27. Демченко, О. П. Проблемы организации систем автоматического управления судовыми техническими средствами / О. П. Демченко. Л.: журнал «Судостроение», 1976. - №8.

28. Диллон, Б. Инженерные методы обеспечения надежности систем / Б. Диллон, Ч. Сингх. М.: Радио и связь. - 1984. - 320 с.

29. Дискретная математика и математические вопросы кибернетики. -М. Наука, 1974. Т. 1. - 313 с.

30. Ершов, Г. А. Вероятностный анализ безопасности объектов атомной энергетики / Г. А. Ершов, П. В. Легощин, А. Н. Соболев // Труды международной научной школы МА БР. СПб.: Изд-во «Бизнес-пресса». - 2002. - С. 323-333.

31. Закревский, А. Д. Логические уравнения. Изд. 2-ое / А. Д. Закревский. -М.: Едиториал УРСС, 2003. 96 с.

32. Иваницкая, Л. Г. Использование матричных форм для определения функциональных путей при анализе структурной надежности системы / Л. Г. Иваницкая. 1970.

33. Киту шин, В. Г. Определение логической функции работоспособности электрической системы / В. Г. Китушин // Электричество. 1976. - №8.

34. Клемин, А. И. Надежность ядерных энергетических установок. Основы расчета / А. И. Клемин. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 344 с.

35. Левченков, В. С. Общий вид решений булевых уравнений /

36. В. С. Левченков // Автоматика и телемеханика. 2000. - № 2. - С. 139150.

37. Легасов, В. А. Проблемы безопасного развития техносферы / В. А. Легасов. М.: журнал «Коммунист», 1987. - № 8. - С. 92-101.

38. Лунц, А. Г. Алгебраические методы анализа и синтеза контактных схем / А. Г. Лунц // Изв. АН СССР. Сер. Математическая. №16. - 1952. - С. 405-426.

39. Мерекин, Ю. В. Решение задач вероятностного расчета однотактных схем методом ортогонализации / Ю. В. Мерекин // Вычислительные системы. СО АН СССР. Новосибирск, 1962. - Вып. 5. - С. 10- 22.

40. Можаев, А. С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности сложных систем / А. С. Можаев. Л.: BMA, 1988. - 67 с.

41. Можаев, А. С. Современное состояние и некоторые направления развития логико-вероятностных методов анализа систем. Теория и информационная технология моделирования безопасности сложных систем / А. С. Можаев. СПб.: ИПМАШ РАН. - Вып. 1. - 1994. - С. 2353.

42. Надежность систем энергетики. Терминология. М.: Наука, 1980. -Вып. 95.-44 с.

43. Недялков, К. В. К вопросу автоматизации управления судовой электроэнергетической системой / К. В. Недялков // Сб. НТО Судпрома .- 1969.-Вып. 133.-С. 36-51.

44. Нечипоренко, В. И. Структурный анализ систем (эффективность и надежность) / В. И. Нечипоренко. М.: Советское радио, 1977. 216 с.

45. Острейковский, В. А. Безопасность атомных станций. Вероятностный анализ / В. А. Острейковский, Ю. В. Швыряев. М.: Физматлит, 2008. -340 с.

46. Парфенов, Ю. М. Определение приращения надежности системы при изменениях ее структуры и характеристик / Ю. М. Парфенов, И. А. Рябинин, В. А. Хватов // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. -№ 1.- 1980.-С. 36-44.

47. Парфенов, Ю. М. Булевы разности для монотонных функций алгебры логики / Ю. М. Парфенов, И. А. Рябинин // Автоматика и телемеханика.- 1997. -№ 10. С. 193-204.

48. Парфенов, Ю. М. Надежность, живучесть и безопасность корабельных электроэнергетических систем. Учебник / Ю. М. Парфенов, И. А. Рябинин // СПб.: BMA, 1997. 433 с.

49. Половко, А. М. Основы теории надежности. 2-ое изд., перераб. и доп. / А. М. Половко, С. А. Гуров. СПб.: БВХ-Петербург, 2006. - 704 е.: ил.

50. Программный комплекс «АРБИТР» / СПб.: ОАО «СПИК СЗМА». -2007. URL: http://www.szma.com/art51.pdf (дата обращения: 30.09.2012).

51. Программный комплекс «БАРС». URL: http://www.myshared.ru/slide/ 183392/ (дата обращения: 30.09.2012).

52. Программный комплекс Relex / Relex Software Corp. 2008. URL: http://www.relexsoftware.de/ (дата обращения: 30.09.2012).

53. Программный комплекс Risk Spectrum / Relcon AB. 2008. URL: http://www.riskspectrum.com/ (дата обращения: 30.09.2012).

54. Прасолов, С. Н. Устройство подводных лодок / С. Н. Прасолов, М. Б. Амнтин. М.: Военное изд-во Министерства обороны, 1973. -312 с.

55. Райнишке, К. Оценка надежности с использованием графов / К. Райнишке, И. А. Ушаков. М.: Радио и связь, 1988. - 208 с.

56. Рогинский, В. Н. Нахождение путей и их характеристик в сложных структурах / В. Н. Рогинский // Теория дискретных управляющих устройств. -М.: Наука, 1982. С.167-175.

57. Романов, Д. А. Трагедия подводной лодки «Комсомолец». Аргументы конструктора. Второе издание, дополненное / Д. А. Романов. СПб.: Издательство Русского Христианского Гуманитарного института, 1995.- 256 с.

58. Руденко, Ю. Н. Надежность систем энергетики / Ю. Н. Руденко, И. А. Ушаков. М.: Наука, 1986. - 276 с.

59. Рябинин, И. А. Задачи № 35 и история ее исследований / И. А. Рябинин // Морской Вестник. 2003. - №4(8). - С. 48-51.

60. Рябинин, И. А. Логико-вероятностное исчисление как аппарат исследования надежности и безопасности структурно-сложных систем / И. А. Рябинин // Автоматика и телемеханика. 2003. №7. - С. 178-186.

61. Рябинин, И. А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем / И. А. Рябинин. СПб.: Изд-во СПб Госуниверситета, 2007. - 276 с.

62. Рябинин, И. А. Основы теории и расчета надежности судовых электроэнергетических систем / И. А. Рябинин // Л., издательство «Судостроение», Издание 2-е переработанное и дополненное, 1971. -455 с.

63. Рябинин, И. А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем / И. А. Рябинин, Г. Н. Черкесов- М.: «Радио и связь», 1981. 264 с.

64. Симаков, И. П. Аналитические методы структурного анализа технических комплексов при оценке их безопасности и надежности /

65. И. П. Симаков // В сб. материалов 5-го Всесоюзного совещания «Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов». М.: Изд-во Института проблем управления, 1991. -С. 99-100.

66. Смирнов, А. С. Применение графа и матрицы связности для определения показателей надежности электроэнергетических систем /

67. A. С. Смирнов // СПб: СП6ГТУ. 1996.

68. Смирнов, А. С. Применение графа и матрицы связности для нахождения функции работоспособности электроэнергетических систем / А. С. Смирнов, Д. А. Гайдамович // Электричество. 2000. - № 5.

69. Токарев, Л. Н. Введение в электроэнергетику. Физические процессы, устройства и системы автоматического управления / Л. Н. Токарев. -СПб.: Изд-во «АЛЕС», 1999. 223 с.

70. Трапезников, В. А. Управление и научно-технический прогресс /

71. B. А. Трапезников. М.: Наука, 1983. - 223 с.

72. Филин, Б. П. Надежность и живучесть систем связи / Б.П.Филин, Б. Я. Дудник, В. Ф. Орлов, В. Ф. Овчаренко, А. В. Холин, А. В. Шурмин. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

73. Фокин, Ю. А. Структурный анализ и методы оценки надежности сложных систем электроснабжения / Ю. А. Фокин, Чан Динь Лонг // Электричество. №5. 1973 г. - С. 4-6.

74. Хенли, Э. Надежность технических систем и оценка риска / Э. Хенли, Дж. Кумамото. М.: Машиностроение. - 1984. - 528 с.

75. Холодных, П. В. Логико-математическая модель структурно-сложной технической системы и ее применение / П. В. Холодных // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №2 - 2011. - С. 151-156.

76. Чан Динь Лонг. Применение теории графов при оценке надежности электроэнергетических систем / Чан Динь Лонг // Известия академии наук СССР. 1977.

77. Черкесов, Г. Н. Логико-вероятностные методы расчета надежности структурно-сложных систем / Г. Н. Черкесов, А. С. Можаев // В сб. «Качество и надежность изделий». Вып. 3(15). М.: Знание, 1991. С. 3-64.

78. Черкесов, Г. Н. Логико-вероятностный анализ надежности сложных систем на основе общего решения систем логических уравнений / Г. Н. Черкесов, Ю. В. Степанов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2003. - №2. - С.149-158.

79. Эйнгорин, М. Я. О системах уравнений алгебры логики и синтезе дискретных управляющих систем с обратными связями / М. Я. Эйнгорин // Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1958. - том 1. - № 3. - С. 169-184.

80. Ярошенко, А. В. Автоматизация восстановления работоспособности систем сложной структуры / А. В. Ярошенко // Автоматика и телемеханика. 2002. - №7. - С. 170-178.

81. Ярошенко, А. В. Методология координированных переключений / А. В. Ярошенко. СПб.: ВМА, 1999.

82. Ясаков, Г. С. Корабельные электроэнергетические системы / Г. С. Ясаков. СПб.: Изд-во ВМА им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова, 1998. - 596 с.

83. Ericson С. Fault Tree analysis. A History from the Proceedings / C. Ericson // The 17th International System Safety Conference. 1999.

84. Event Tree Analysis. Isograph. URL: http://www.isograph-software.com/ 2011/software/reliability-workbench/event-tree-analysis/ (дата обращения: 30.09.2012).

85. Event Tree Analysis. Item Toolkit. URL: http://www.itemsoft.com/ eventtree.html (дата обращения: 30.09.2012).

86. Fault Tree Analysis. Isograph. URL: http://www.isograph-software.com/ 2011/software/reliability-workbench/fault-tree-analysis/ (дата обращения: 30.09.2012).

87. Fault Tree Analysis. Item Toolkit, http://www.itemsoft.com/faulttree.html (дата обращения: 30.09.2012).

88. Fault Tree Analysis. Reliasoft. URL: http://www.reliasoft.com/BlockSim/ faulttreeanalysis.htm (дата обращения: 30.09.2012).

89. Fault Tree Analysis. Risk Spectrum. URL: http://www.riskspectrum.com/en/ risk/Meny2/RiskSpectrumFTA/ (дата обращения: 30.09.2012).

90. Fault Tree/Event Tree. Relex Software. URL: http://www.relexsoftware.it/ eng/products/ftaeta.htm (дата обращения: 30.09.2012).

91. Roberts, N. H. Fault Tree Handbook. NUREG-0492 / N. H. Roberts, W. E. Vesely, D. F. Haasl, F. F. Goldberg. 1981.

92. Scott, J. Artificial Evolution to Test and Challenge Complex Control Systems / J. Scott, C. Anderson, E. Bonabeau // NDIA T&E Conference 2004 Lake Tahoe/Reno/Sparks, Nevada, march 2004.