Методы анализа надежности сложных технических систем с временной избыточностью инфраструктуры железнодорожного транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Новиков, Евгений Владимирович

• Новиков, Евгений Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новиков, Евгений Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Методы расчета надежности сложных технических систем

1.2 Факторы, влияющие на надежность систем обеспечения движения поездов и объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта

1.3 Источники временной избыточности в технических системах железнодорожного транспорта

1.4 Способы временного резервирования в технических системах железнодорожного транспорта

1.5 Основные понятия теории надежности для систем с резервом времени

1.6 Задачи исследования

1.7 Выводы

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ВРЕМЕННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ

2.1 Общие положения

2.2 Методика построения полумарковской модели

2.3 Формулировка задачи в общем виде

2.4 Получение выражений показателей надежности для системы с резервом

времени

2.5 Оптимизация параметров процесса эксплуатации технической системы, обладающей временной избыточностью

2.5.1 Определение условий существования оптимального периода технического обслуживания для системы с резервом времени

2.5.2 Определение оптимального периода технического обслуживания для системы с резервом времени

2.5.3 Определение оптимальной длительности технического обслуживания для системы с резервом времени

2.5.4 Определение допустимого времени перевода технической системы в состояние использования по назначению из состояния технического

обслуживания

2.6 Выводы

3 АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕННОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

3.1 Анализ влияния временного резервирования на показатели надежности технических систем

3.2 Исследование и анализ влияния параметров технического обслуживания и эксплуатации на надежность технических систем с резервом времени

3.3 Оценка экономической эффективности реализации временной избыточности в объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта

3.3.1 Эффективность функционирования технических систем

3.3.2 Экономическая оценка разработанных предложений

3.4 Выводы

4 РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

4.1 Структура инженерной методики оптимизации процесса технического обслуживания сложных систем с временной избыточностью

4.2 Разработка практических рекомендаций на примере системы автоматической идентификации подвижного состава «Пальма»

4.2.1 Автоматизация получения необходимых исходных данных для модели оптимизации периодов ТО

4.2.2 Рекомендации по практическому использованию метода повышения надежности технических систем за счет обоснованного выбора параметров процесса эксплуатации

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы анализа надежности сложных технических систем с временной избыточностью инфраструктуры железнодорожного транспорта»

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость обеспечения возрастающих потребностей государства и общества в услугах железнодорожного транспорта вызывает усложнение систем и устройств организации и управления перевозочным процессом, повышение требований к надежности, безопасности и эффективности их функционирования. В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта на период до 2030 года [105] и Концепцией комплексного управления надежностью, рисками, стоимостью жизненного цикла на железнодорожном транспорте [54], одной из основных задач инновационного развития Компании является сокращение стоимости жизненного цикла объектов инфраструктуры (ОИ) и подвижного состава при условии обеспечения высокого уровня надежности технических средств и требуемого уровня безопасности перевозочного процесса. Оптимизация расходов на содержание объектов инфраструктуры является одной из ключевых задач компании, при реализации которой планируется снижение трудоемкости текущего и среднего ремонтов до 50%, увеличение межремонтных пробегов в 2-3 раза, пробега между техническими обслуживаниями в 3-10 раз. В то же время, в компании предусматривается повышение коэффициента эксплуатационной готовности до 0,98. Поэтому, перед Компанией стоит задача решения двух взаимосвязанных проблем современной техники: обеспечения высокой надежности и снижения стоимости

эксплуатации.

Сложившаяся ситуация, а также деятельность ОАО «РЖД» по изменению организационной структуры ставят проблему, требующую для решения системного, научно-обоснованного анализа и разработки методов обеспечения оптимального соотношения между требуемым уровнем надежности сложных технических систем (ТС) ОИ железнодорожного транспорта с одной стороны и минимумом

эксплуатационных затрат с другой.

Следует отметить, что значительный вклад в решение задач по повышению

надежности систем обеспечения движения поездов (СОДП) и ОИ железнодорожного транспорта внесли известные ученые Баранов Л.А., Безродный Б.Ф., Бестемьянов П.Ф., Ведерников Б.М., Горелик A.B., Дмитренко И.Е., Косилов

P.A., Кравцов Ю.А., Лисенков В.М., Меныциков И .Я., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Талалаев В.И., Шалягин Д.В., Шаманов В.И., Шелухин В.И.,

Шишляков A.B., Шубинский И.Б., Ягудин Р.Ш. и др.

Большое количество исследований в области обеспечения требуемого уровня надежности сложных технических систем (ТС) проведено такими известными учеными как Барзилович Е.Ю., Вентцель Е.С., Гнеденко Б.В., Гуров C.B., Дружинин Г.В., Каштанов В.А., Козлов Б.А., Нечипоренко В.И., Половко A.M., Северцев H.A., H.A. Ушаков. Однако задачи, выдвигаемые практикой, заставляют вновь

возвращаться к проблемам надежности и эксплуатации.

Непрекращающийся рост технической, функциональной сложности СОДП и ОИ железнодорожного транспорта при одновременном повышении требований к надежности и безопасности является объективной тенденцией развития техники и железнодорожного транспорта в частности. Рост функциональной и технической сложности ТС определяет с одной стороны расширение их возможностей, а с другой - значительные трудности в реализации этих возможностей в связи с низким уровнем надежности. Анализ опыта эксплуатации [3,4] указывает на разрыв между существующим и требуемым уровнем надежности СОДП и ОИ, который отрицательно сказывается на полном использовании их функциональных

возможностей.

Анализ существующей системы технического обслуживания (ТО) ОИ железнодорожного транспорта [48,50], которая является основной формой повышения надежности в процессе эксплуатации, показывает на ее неспособность в полной мере обеспечить требуемый уровень надежности и безопасности, т.к. не всегда учитывает такие факторы как тип элементной базы, интеграция с микропроцессорными системами, размеры и интенсивность движения поездов, характеристики систем диагностирования, наличие различных видов резерва,

степень квалификации персонала и т.д.

При анализе надежности ОИ железнодорожного транспорта учитывался тот факт, что многие ТС железнодорожной инфраструктуры являются системами с временной избыточностью, т.е. обладают резервом времени. Кроме того, в

большинстве случаев это время существует объективно и не требует дополнительных затрат для его создания. Это время целесообразно использовать для проведения различного рода профилактических работ с целью восстановления технического состояния обслуживаемых объектов.

Целью диссертации является разработка комплексного метода анализа надежности функционирования сложных ТС объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта при наличии временной избыточности. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ и обобщение известных методов оценки надежности сложных ТС инфраструктуры железнодорожного транспорта;

- разработать математическую модель, позволяющую производить комплексный анализ и оценку показателей надежности функционирования СОДП и ОИ железнодорожного транспорта с временной избыточностью;

- разработать методику расчета показателей надежности ОИ железнодорожного транспорта на основе предложенной математической модели;

- решить частные задачи оптимизации показателей надежности в соответствии с выдвигаемыми компанией требованиями по уровню надежности СОДП и ОИ железнодорожного транспорта.

Проведенные в диссертации исследования базируются на использовании

методов математической теории надежности, теории вероятностей, теории случайных процессов, теории графов, операционного исчисления.

В первой главе произведен .анализ известных методов оценки надежности сложных ТС, отмечены преимущества и недостатки каждого из них. На основе анализа эксплуатации сложных ТС показано, что одним из эффективных способов обеспечения требуемого уровня надежности на данном этапе жизненного цикла является проведение ТО и использование различных видов резерва (структурного, информационного, нагрузочного, функционального и временного). Указано на наличие и источники временной избыточности в ТС железнодорожного транспорта. Отмечено, что модели временного резервирования обладают наибольшей возможностью для синтеза частных результатов, полученных для отдельных видов

резерва и других факторов реальной эксплуатации (условий применения, уровня надежности, параметров ТО и т.д.)

Вторая глава посвящена разработке математической модели функционирования сложной ТС с резервом времени (СРВ) и методике получения на ее основе выражений для показателей надежности СРВ. Проведено аналитическое исследование необходимых и достаточных условий существования оптимального по критерию максимума коэффициента готовности периода ТО для СРВ. Решен ряд оптимизационных задач по определению параметров ТО с целью повышения эффективности его проведения.

В третьей главе на основе полученных расчетных соотношений для показателей надежности СРВ, произведен анализ влияния временного резервирования, профилактики, параметров ТО и эксплуатации на надежность СРВ. Построен ряд номограмм для определения оптимальных параметров ТО в инженерной практике. Разработана математическая модель для средних удельных затрат за единицу времени исправного функционирования. На основе системного анализа понятия эффективности функционирования ТС предложена методика оценки экономической эффективности процесса ТО, использующего временную избыточность в СОДП и ОИ железнодорожного транспорта.

В четвертой главе на основании разработанной математической модели процесса эксплуатации сложной СРВ разработана структура инженерной методики оптимизации периодов ТО СОДП и ОИ железнодорожного транспорта с учетом реализации в них имеющейся или искусственно созданной временной избыточности. Предложен способ автоматизированного получения необходимых исходных данных для модели оптимизации с помощью системы КАСАНТ и ряда других отраслевых АСУ железнодорожного транспорта. На основании предложенной методики рассчитаны оптимальные сроки ТО функциональных блоков и системы автоматической идентификации подвижного состава «Пальма» в целом.

Предложенные в диссертации методы позволяют обеспечить требуемый уровень надежности ОИ железнодорожного транспорта и СОДП за счет реализации временной избыточности и оптимизации параметров существующей системы ТО.

Результаты исследований, полученные в диссертации, нашли применение:

■ в учебном процессе кафедры «Транспортные установки» ГТУ МАДИ по дисциплине «Технологическое оборудование»;

■ в учебном процессе кафедры «Электрификация и электроснабжение» РОАТ МИИТ по дисциплинам «Основы теории надежности», «Основы технической диагностики»;

■ при расчете показателей надежности и оценке их достижимых уровней части серийно выпускаемых устройств ООО «Иолла» (ПЭТЗ);

■ при производстве считывателя и кодовых бортовых датчиков системы радиочастотной идентификации подвижного состава «Пальма», находящейся в эксплуатации на сети железных дорог;

■ при оценке надежности функционирования систем электроснабжения нетяговых потребителей и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики в различных условиях эксплуатации.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

1.1 Методы расчета надежности сложных технических систем

В настоящее время теория надежности, несмотря на то, что за более чем 50 -летнюю свою историю накопила значительное количество прикладных результатов, не теряет своей актуальности. Значимость вопросов, рассматриваемых в теории надежности, определяется в основном следующими обстоятельствами: [53]

возрастающей сложностью систем, важностью и ответственностью

решаемых задач;

предъявлением более высоких требований к условиям и режимам использования;

тяжестью последствий, вызываемых некачественным выполнением системой возложенных на нее задач;

относительно низкой стоимостью теоретического анализа.

При этом под сложными системами понимаются такие, которые состоят из большого числа элементов, обладают различными видами избыточности, неполнотой контроля, наличием системы технического обслуживания [110].

Математический аппарат теории надежности обладает достаточно большим количеством аналитических и статистических методов [11,15,25]. Основными из них являются: логико-вероятностный, методы теории случайных процессов и теории массового обслуживания, аналитико-статистический, дифференциальный,

интегральный.

Логико-вероятностный метод использует аппарат булевой алгебры на начальной стадии анализа структурно-сложных систем [99,112,115]. Применяется для ^восстанавливаемых систем сравнительно простой структуры.

При помощи однородных марковских процессов описываются системы при максимальных ограничениях: время безотказной работы, время восстановления, временной резерв, время подключения резервных элементов, время между сеансами

10

контроля, время проведения контроля, время существования скрытых отказов имеют экспоненциальные распределения. Экспоненциальные законы распределения можно использовать только в том случае, когда потоки отказов и восстановлений являются простейшими, т.е. обладают свойствами ординарности, стационарности и

отсутствия последействия.

Расчет показателей надежности по структурной схеме наиболее прост и нагляден, но в то же время часто не в полной мере позволяет учесть такие факторы, как способ электрического соединения, возможность контроля, обмена информацией между составными частями системы.

Существенным недостатком метода Колмогорова является допущение о постоянстве интенсивностей отказов и восстановлений и как следствие экспоненциальных законах распределения. Использование экспоненциальных законов при анализе надежности реальных технических систем длительного функционирования зачастую ошибочно, так как не соответствует реальным физическим процессам, протекающим в системах. При решении практических задач такие допущения о реальных процессах отказов и восстановлений могут приводить

к существенным ошибкам.

Метод описания с помощью системы интегральных уравнений является

универсальным и при некоторых допущениях может служить . математической моделью функционирования сложной ТС с конечным или счетным множеством состояний. Она может быть использована для описания стационарного и нестационарного режима эксплуатации. Достоинством интегрального метода для инженерной практики состоит в том, что, как правило, выражения обладают ясным математическим смыслом, а интегралы, не имеющие аналитического выражения, сравнительно легко вычисляются численными методами [63].

Важными для исследования надежности реальных технических систем являются аналитические методы, поскольку для большого количества факторов, влияющих на надежность систем, достичь высокой достоверности имитационного моделирования весьма трудно. Аналитические методы более удобны при изучении

свойств резервирования, т.к. позволяют учесть большое число параметров в любых интервалах времени.

К явному достоинству полумарковских моделей следует отнести произвольный вид законов распределений времени безотказной работы и восстановления. [40,46,56]

Графовые модели являются более общими для описания технических систем, позволяют учитывать влияние практически любых факторов, например, средств контроля и системы обслуживания. Недостатком описания системы графом состояний для определения характеристик надежности является большое количество состояний системы. Эти недостатки могут быть преодолены использованием метода укрупнения состояний [37,86].

Каждому методу описания эволюции ТС присущи свои преимущества и недостатки, поэтому при выборе модели функционирования ТС с целью повышения степени ее адекватности необходимо учитывать как можно больше факторов реальной эксплуатации, сущности физических процессов, дисциплины обслуживания, характеристик систем контроля и т.д.

Обоснованный выбор того или иного метода при анализе надежности позволяет: [37]

■ выбрать из множества вариантов структурных схем наилучшую;

■ выбрать рациональную дисциплину обслуживания системы;

■ выявить наиболее слабые места в системе и наметить пути повышения ее надежности;

■ оценить эффективность применения резервирования;

■ спроектировать техническое устройство или систему на заданные показатели надежности.

Тем не менее, не всегда существующие методы обеспечивают возможность расчета надежности современных систем, обладающих большим количеством состояний и сложными связями между ними.

1.2 Факторы, влияющие на надежность систем обеспечения движения поездов и объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта

Как отмечалось выше, непрерывный рост функциональной и технической сложности ТС, в частности СОДП и ОИ железнодорожного транспорта, обусловленный расширением перечня решаемых задач, определяет с одной стороны расширение потенциальных возможностей ТС, а с другой возникновение значительных трудностей для полной реализации этих возможностей. Одной из таких существенных трудностей является недостаточный уровень надежности ОИ и СОДП железнодорожной отрасли.

На каждой из стадий жизненного цикла, факторы, определяющие надежность ТС будут различны [53]. Так на стадии проектирования, это, прежде всего конструктивные и схемные решения, надежность комплектующих, условия их работы. На стадии производства определяющими будут такие факторы как качество материалов комплектующих, технология сборки, контроль операций монтажа, проведение испытаний и условия производства. На стадии эксплуатации это, прежде всего соответствие условий применения требованиям нормативно-технической документации, своевременное и качественно организованное ТО, квалификация персонала.

В [94] все разнообразие внешних и внутренних факторов, влияющих на надежность ТС, условно делится на следующие группы:

■ временные параметры эксплуатации;

■ безотказность и восстанавливаемость;

■ наличие различных видов резерва;

■ параметры технического обслуживания.

Временные параметры процесса эксплуатации ТС зависят от способов

применения и в различных условиях применения одной и той же ТС могут

изменяться в довольно широких пределах и оказывать существенное влияние на

надежность и режим эксплуатации. Длительность и периодичность использования

ТС непосредственно влияют на интенсивность работы аппаратуры, частоту ее

13

включений и выключений, величину резерва времени, определяемую длительностью интервалов между использованием по назначению, что, в свою очередь, влияет на интенсивность потока отказов (безотказность), а также на периодичность проведения контроля технического состояния и некоторых видов

профилактических работ [64].

Факторы второй группы - безотказность и восстанавливаемость, характеризуются параметрами потоков отказов и восстановлений. Параметры потоков отказов и восстановлений являются в процессе эксплуатации основными из внутренних дестабилизирующих факторов, так как они определяют частоту и длительность вынужденных перерывов в функционировании ТС. Сами эти факторы зависят, в первую очередь, от уровня безотказности комплектующих элементов и совершенства схемно-конструкторского исполнения аппаратуры. Кроме того, интенсивность отказов зависит от интенсивности внешней нагрузки и условий работы аппаратуры, а также от эффективности профилактических мероприятий. С другой стороны, зависимость длительности восстановления от таких характеристик процесса эксплуатации, как наличие и полнота ЗИП, количество и квалификация обслуживающего персонала, качество эксплуатационной документации, также вполне очевидна и хорошо известна [3,4,8,15,41].

При проектировании ОИ железнодорожного транспорта и СОДП, исходя из целевого назначения и выполняемых функций, обосновывают их минимально необходимую функциональную структуру, после чего для обеспечения выполнения указанных функций с требуемым качеством, непосредственно связанных с надежностью, в структуру или порядок (алгоритм) применения вводят различные

виды резерва.

Как показывают исследования [7,8,26], наличие резерва обеспечивает максимальный выигрыш в надежности функционирования, при этом каждый в отдельности вид резерва накладывает определенные условия на организацию и обеспечение других методов повышения надежности: ТО, ремонта и т.д.

Одним из самых распространенных способов повышения надежности служит введение избыточности или структурное (аппаратурное) резервирование.

Существует достаточно большое разнообразие методов структурного резервирования, моделей надежности и их описания [10,21,34,67,70,72,77,96].

Четвертая группа факторов - параметры технического обслуживания -подчинена первым трем, так как должна соответствовать и условиям применения ТС, и уровню надежности аппаратуры. В тоже время организация ТО может и по своему назначению должна активно влиять на уровень надежности ТС своевременным выявлением факта отказа и быстрым отысканием места неисправности, а также профилактической (предупредительной) заменой

потенциально ненадежных элементов.

Таким образом, существует тесная объективная взаимосвязь между рассмотренными группами факторов, требующая комплексного подхода [17,74] к проблеме обеспечения надежности СОДП и ОИ железнодорожного транспорта. Комплексность подхода заключается в учете совместного влияния перечисленных факторов на надежность при обеспечении требуемого уровня надежности перспективных СОДП и ОИ железнодорожного транспорта на этапах проектирования, эксплуатации существующих систем и при проведении модернизации.

1.3 Источники временной избыточности в технических системах железнодорожного

транспорта

Достаточно долгое время методы структурного резервирования считались универсальными, посредством которых можно было создавать высоконадежные системы. Однако в современных условиях, когда ТС представляют собой сложные аппаратно-программные комплексы или информационные системы, методы структурного резервирования во многих случаях оказываются не достаточно эффективными. Поэтому внимание разработчиков все чаще обращается на другие виды избыточности: функциональную, временную, информационную, алгоритмическую.

В настоящее время системы с временной избыточностью составляют обширный класс ТС различного назначения, которые с точки зрения надежности обладают определенными специфическими чертами. В этих системах отказы аппаратуры, при соблюдении некоторых условий, могут не приводить к срыву функционирования. При выполнении некоторых требований к продолжительности восстановления работоспособности (РС), последствия отказов аппаратуры могут быть устранены, и не отразиться на качестве и своевременности выполняемого системой задания. Таким образом, нормальное функционирование таких систем может быть обеспечено не за счет повышения безотказности или увеличения объема аппаратуры, а путем создания резерва времени и его использования для восстановления технических характеристик системы непосредственно в процессе ее

функционирования [69].

При теоретическом исследовании надежности систем с временной избыточностью в первую очередь возникают вопросы: в чем состоят отличительные особенности этого класса систем, за счет чего в реальных системах может быть создан резерв времени и каковы способы его использования и пополнения?

Приведем несколько примеров, которые помогут понять сущность временной избыточности и ее специфические особенности на железнодорожном транспорте.

1. Пусть имеется устройство охлаждения, используемое для обеспечения нормального теплового режима некоторого объекта (например, тягового двигателя, силового трансформатора, выпрямительного агрегата и т.п.). Проследим с помощью графиков (рис. 1.1) влияние отказа такого устройства на изменение температуры охлаждаемого объекта. Из графиков видно, что если в стационарном тепловом режиме (70° С) возникает отказ устройства, то температура достигает своего предельно допустимого значения (120° С) через 15 минут.

Следовательно, после отказа устройства охлаждения температура охлаждаемого объекта некоторое известное время ^ сохраняется в допустимых пределах. Так, для рассматриваемого объекта 1 =15 мин. Лишь после того как эта температура превысит предельное значение отказ устройства охлаждения скажется на РС системы. Таким образом, при отказах устройства охлаждения имеется

некоторое допустимое время ^ восстановления его РС, при котором объект остается "нечувствительным" к этим отказам.

2. На АТС имеется аккумуляторная батарея, которая должна обеспечить непрерывность работы станции в случае пропадания питания от основного источника. Время, в течение которого аккумуляторная батарея способна выполнять эту задачу, представляет собой резервное время для восстановления основного источника питания.

3. На посту электрической централизации в качестве резервных источников электрической энергии используются дизель-генераторные агрегаты и аккумуляторные батареи. Период эксплуатации, когда они не используется по своему прямому назначению, представляет собой резерв времени, который можно использовать, например, для проведения ТО, при допустимом времени перевода в РС состояние в случае необходимости.

4. Парк приема - Сортировочная горка- Парк отправления.

При отсутствии поступления поездов в парк приема, парк отправления продолжает работу в штатном режиме, отправляя составы, сформированные на сортировочной горке. В данном случае резерв времени создается благодаря запасам «выходной продукции», имеющимся во внутреннем «накопителе» рассматриваемой системы.

5. Система передачи данных (СПД) осуществляет передачу информации в реальном масштабе времени. Длительность сеанса передачи задана. В процессе функционирования возможны отказы СПД и восстановления ее РС. В системе предусмотрен специальный накопитель большой емкости, который запоминает всю информацию, поступающую для передачи во время ремонта СПД. После окончания ремонта в первую очередь передается накопленная информация, а затем вновь поступившая. По условиям функционирования перерыв в передаче информации на время, более допустимого ^ обесценивает поступающую информацию и рассматривается как срыв функционирования системы. Кроме того, задержка в окончании сеанса передачи не должна быть более заданной величины 1;и.

Из сформулированных выше условий видно, что СПД успешно справится с возложенной на нее задачей, если в течение всего сеанса передачи информации ни

Рис. 1.1 Зависимость изменения температуры объекта от времени при работоспособном (1) и неработоспособном (2) устройстве охлаждения

один перерыв в работе не превысит допустимого значения (1;в < 1Д, где 1Ц продолжительность одного восстановления РС) и суммарное время восстановления РС X 1 в будет меньше допустимой величины задержки £ X в < г и .

К системам, обладающим временной избыточностью можно отнести большую часть СОДП и ОИ железнодорожного транспорта, так как они непосредственно выполняют свои функции лишь в моменты времени, связанные с проследованием подвижного состава. Аналогичное можно сказать и об устройствах кратковременного действия, например релейной защиты.

Число примеров можно было бы легко умножить, но и этих достаточно, чтобы составить общее представление об отличительных особенностях рассматриваемых систем: в каждом из примеров речь идет о каком-то объекте, выполняющем определенную задачу с требуемым качеством в условиях воздействия внешних возмущений (сбоев, отказов, помех и т.д.); в процессе функционирования объекта допускаются некоторые перерывы в выполнении задания за счет использования имеющегося (или назначенного) избыточного времени. При выполнении некоторых условий относительно допустимого избыточного времени обеспечивается "нечувствительность" объекта к воздействию внешних возмущений.

Эти общие специфические черты присущи большому классу систем с временной избыточностью, теоретическое исследование которых началось с середины 60-х годов [114]. В отличие от других видов избыточности (структурной, функциональной, информационной, нагрузочной) здесь резервом является время. Этот резерв вносится не в объект, как например, при структурном резервировании, а в порядок (алгоритм) использования (применения) объекта, как это иногда имеет место при информационном или функциональном резервировании.

Временное резервирование представляет собой условное название метода обеспечения нормального функционирования объектов, выполняющих определенные задачи в условиях воздействия внешних возмущений, путем назначения и использования резервного (избыточного) времени.

Остановимся на некоторых основных источниках резерва времени в объектах железнодорожного транспорта.

1.В ряде случаев наличие в объекте резерва времени обусловлено особенностями функционирования самого объекта. Примером могут служить дискретные объекты (локально-вычислительные сети, устройства автоматики и телемеханики, релейной защиты, некоторые системы связи и т.д.). Очевидно, что отказ и восстановление РС этих объектов в промежутках времени между получением информации или сигнала не нарушат их нормального

функционирования (Пример 5).

2.Временное резервирование характерно для объектов, обладающих

функциональной инерционностью [113,114]. Физической основой, определяющей наличие у таких объектов резерва времени, является инерционность процессов нагрева, охлаждения, расходования, послесвечения и т.п. Величина резерва времени определяется скоростью протекания этих процессов и заданными предельными значениями некоторых величин, характеризующих объект (температура, яркость и

др.) (Пример 1).

3.Иногда резерв времени при отказе отдельного элемента (или объекта в целом) обеспечивается путем передачи на некоторое допустимое время функций отказавшего элемента (или объекта) другому элементу (или объекту). (Пример 2).

4.Существует ряд объектов, у которых резерв времени предусмотрен порядком (алгоритмом) их использования. Такие объекты функционируют при загрузке менее 100%, т.е. для выполнения задания выделяется оперативное время I, превышающее минимальное необходимое в идеальных условиях время 4д.

5. Резерв времени может быть создан за счет внутренних запасов выходной продукции (Пример 4). Это характерно для многофазных объектов, результат работы которых оценивается объемом производимого продукта. Для хранения запасов в таких объектах должны быть предусмотрены специальные накопители. Пока запас не исчерпан, продукция продолжает поступать на выход системы, несмотря на отказы отдельных элементов объекта. Под «продукцией» здесь может пониматься количество информации для информационных систем, для систем энергоснабжения - электрическая энергия, для транспортных систем - объем

перевезенных грузов.

Из приведенных примеров видно, что временная избыточность заключается в наличии дополнительного времени сверх минимально необходимого для решения различных задач и проявляется в повышении возможности объекта выполнить заданные функции с требуемым качеством. Резерв времени можно расходовать на ремонт, переключение других видов резерва, обнаружение отказов, повторение части работ, обесцененных отказом. По характеру последствий все отказы обычно делят на три группы: не обесценивающие, полностью обесценивающие, частично обесценивающие предыдущую работу. Иногда возможен и смешанный случай, когда часть отказов, возникающих в объекте, являются не обесценивающими, а часть - частично или полностью обесценивающими.

При отказах первой группы после окончания восстановления РС объект продолжает выполнять задание с учетом предыдущей наработки. В системах с отказами второй группы после окончания восстановления РС объекта выполнение задания начинается с самого начала - это наиболее тяжелый случай. При этом вся предыдущая наработка теряется и должна быть включена в потери рабочего времени. Отказы третьей группы по своим последствиям занимают промежуточное положение и приводят к необходимости повторения части выполненной ранее работы. Такая ситуация характерна, например, для систем, в которых выполнение задания разбивается на ряд последовательно выполняемых этапов с запоминанием промежуточных результатов (контроль непрерывный), а также для систем с

периодическим контролем.

Приведенные источники временной избыточности не охватывают всех возможных в инженерной практике ситуаций, в реальных объектах возможны и другие источники резерва времени. Тем не менее, и рассмотренного здесь

достаточно для того, чтобы сделать выводы:

■ резерв времени во многих ТС на железнодорожном транспорте существует объективно или может быть создан искусственно;

■ резерв времени может быть величиной постоянной или случайной;

■ системы с временной избыточностью включают в себя большой класс систем различного назначения, обладающих специфическими

особенностями, без учета которых невозможна оценка эффективности и надежности функционирования таких систем.

1.4 Способы временного резервирования в технических системах железнодорожного

транспорта

В различных технических объектах и системах железнодорожной отрасли возможны самые разнообразные способы временного резервирования. Эти способы могут быть классифицированы по ряду признаков: характеру использования и пополнения резерва времени, кратности резервирования, полноте охвата объекта и т.д. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные способы временного резервирования.

Приведенные в п. 1.3. примеры показывают, что по характеру использования и пополнения резерва времени системы могут существенно различаться между собой. В примере 5 при каждом отказе объекта используется некоторая заранее установленная единая величина /д допустимой продолжительности восстановления РС. Эта величина не зависит от количества отказов и общего времени, затраченного на их устранение, и характеризует временные ограничения на продолжительность восстановления РС применительно к каждому отказу объекта. Нормальное функционирование систем при отказах объекта обеспечивается при выполнении условия 1в<1а. В момент окончания ремонта объекта резерв времени немедленно

(мгновенно) пополняется до исходного значения Системы, в которых

используется такой способ временного резервирования, называются системами с мгновенно пополняемым резервом времени [114].

Способ использования резерва времени в примере 1 ничем не отличается от описанного выше. Отличие здесь состоит лишь в способе его пополнения; после каждого восстановления РС объекта (устройства охлаждения) резерв времени пополняется не мгновенно, а постепенно по мере понижения температуры охлаждаемого элемента. Такие системы называют системами с постепенно пополняемым резервом времени.

Системы с не пополняемым резервом времени называют кумулятивными [114]. Условием нормального функционирования кумулятивных систем является достижение требуемой наработки 1в раньше, чем будет исчерпан резерв времени 1и.

Различают системы, для принятых условий функционирования которых, используемый резерв времени содержит две составляющие: пополняемую и не пополняемую, которая по мере накопления потерь рабочего времени уменьшается

до нуля.

Таким образом, по способу использования и пополнения резерва времени различаются системы с пополняемым (мгновенно или постепенно), не пополняемым и комбинированным резервом. Естественно, что эти способы не исчерпывают всех возможных ситуаций, возникающих в инженерной практике. Возможны и другие способы временного резервирования, которые характеризуются более сложными ограничениями на время восстановления РС и наработку объекта.

Дальнейшая классификация способов временного резервирования может быть проведена с учетом наличия определенной аналогии между структурной (аппаратурной) и временной избыточностями. Это обстоятельство позволяет с некоторыми оговорками распространить существующую классификацию структурного резервирования на временное резервирование. Оно может быть общим, раздельным, групповым, полным, частичным и т.д. Общее резервирование характеризуется тем, что предусмотренный в системе резерв времени может быть использован ' для восстановления РС любого элемента системы. Раздельное временное резервирование обычно применяют в многофазных системах, состоящих из ряда последовательно соединенных устройств, каждое из которых имеет свой промежуточный накопитель. Установка одного накопителя на группу устройств приводит к групповому резервированию. Частичное временное резервирование будет в том случае, если в многофазной системе с групповым резервированием отсутствует выходной накопитель и последняя группа устройств

работает без резерва времени.

Рассмотренная выше классификация относится к одному из элементов

системы обьект-время (ОВ) - резерву времени (рис.1.2). Другим элементом системы

23

Рис. 1.2 Условная система объект-время

ОВ является объект, в котором могут быть реализованы различные способы временного резервирования. Объекты также могут быть классифицированы по некоторым признакам. В работе [103] определена общая совокупность факторов, влияющих на функционирование существующих объектов, и дана достаточно полная классификация объектов по ряду обобщающих признаков.

Первый класс включает факторы, относящиеся к функциональной структуре объекта и режиму работы резервных элементов. По признаку наличия избыточности различаются системы, в которых предусматривается только временное резервирование, и системы, в которых используется совместно временное и структурное резервирование. Резервные элементы могут находиться в нагруженном, ненагруженном и облегченном режимах. Кроме того, возможен и смешанный режим, при котором одна часть резервных элементов находится в нагруженном, другая часть - в облегченном, а третья - в ненагруженном состоянии.

Второй класс факторов характеризует режимы использования объекта по назначению. По признаку временного режима использования объекты делятся на два подкласса: непрерывного использования (объекты с непрерывной нагрузкой -постоянной или переменной); эпизодического использования; многократного

периодического (случайного или детерминированного).

По признаку характера действия различают объекты кратковременного и длительного действия. В первом случае эффективность функционирования целиком и полностью определяется состоянием объекта в момент поступления задачи. Это значит, что длительность задачи очень мала по сравнению с наработкой объекта на отказ и за время выполнения задачи объект не изменяет свое состояние с вероятностью единица. Во втором случае задача имеет достаточно большую длительность, так что в процессе ее выполнения объект может изменить свое состояние. При этом эффективность функционирования зависит от характера поведения объекта на интервале времени выполнения задачи.

По числу режимов использования объекты делятся на однорежимные и многорежимные. Каждый режим характеризуется решаемой задачей. Объект, предназначенный для функционирования в нескольких режимах, способен решать

несколько задач. Переход из одного режима в другой может осуществляться детерминировано или по случайному закону. Алгоритм выбора очередного режима также может быть различным. В каждом режиме используется определенная часть

аппаратуры объекта.

Третий класс факторов отражает предусмотренные в объекте способы

контроля работоспособности и включает в себя полноту, частоту и достоверность контроля. Полнота характеризует степень охвата контролем элементов объекта, а достоверность или недостоверность учитывает отсутствие или наличие ошибок 1-го рода (возможность появления сигналов типа "ложная тревога").

В заключение отметим, что во всех случаях не зависимо от характера объектов, наличие временного резервирования придает системам ОВ определенные специфические черты и требует внести коррективы в трактовку основных понятий

теории надежности.

1

.5 Основные понятия теории надежности для систем с резервом времени

Основными понятиями в теории и практике надежности являются понятия "работоспособное состояние", "неработоспособное состояние" и "отказ". В [35] эти

понятия определены следующим образом:

- работоспособное состояние - состояние объекта, при котором значения всех

параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской

(проектной) документации;

- неработоспособное состояние - состояние объекта, при котором значение

хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или)

конструкторской (проектной) документации;

- отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния

объекта.

Эти определения справедливы для систем без временной избыточности, т.е. для объектов, которые можно рассматривать как частный случай систем ОВ, когда резерв времени равен нулю. В приложении к системам ОВ они нуждаются в уточнении. Действительно, в системах с временной избыточностью нарушение РС (отказ) объекта не означает одновременно отказ системы ОВ, если восстановление РС (иногда и повторение части или всей предыдущей наработки) заканчивается до

израсходования резерва времени.

В связи с этим под отказом системы ОВ целесообразно понимать событие, после возникновения которого, система уже не способна выполнять задание при определенных условиях эксплуатации. Это событие (отказ системы) возникает в момент израсходования резерва времени. Поясним это на примерах систем с различными способами временного резервирования.

В системе с пополняемым резервом времени, которая характеризуется лишь

одним ограничением (на время восстановления РС объекта 1;в, отказ системы возникает в момент, когда непроизводительные затраты времени ^ превышают

используемый в системе резерв времени 1;д.

В одноканальной кумулятивной системе с необесценивающими отказами объекта, срыв функционирования возникает в момент, когда суммарные потери рабочего времени на восстановление РС объекта достигают значения выделенного резерва времени, а суммарная наработка объекта при этом меньше требуемой величины.

В невосстанавливаемой кумулятивной системе, в которой отказы отдельных устройств приводят к снижению производительности, отказ системы ОВ возникает в момент, когда уровень производительности, зависящей от времени, становится меньше некоторого допустимого (критического) уровня.

В рассмотренных выше случаях резерв времени расходуется не мгновенно, а постепенно, и с момента возникновения отказа объекта и до момента израсходования резерва времени может пройти значительное время. Такие отказы систем с временной избыточностью целесообразно называть постепенными.

В одноканальной кумулятивной системе с обесценивающими отказами объекта кроме затрат времени на ремонт или подключение аппаратурного резерва существуют и другие виды потерь оперативного времени, связанные с обнаружением отказов и обесцениванием части или всей выполненной к моменту отказа работы (вторичные потери рабочего времени). Отказ такой системы возникает в момент израсходования резерва времени и обусловлен отказом объекта, вызвавшим обесценивание части или всей проделанной работы. В этом случае продолжительность ремонта (или подключения аппаратурного резерва) не играет существенной роли и причиной отказа системы ОВ может быть и самоустраняющийся отказ (сбой) объекта. Такие отказы систем ОВ могут быть

названы внезапными.

В системах ОВ, в которых по условиям функционирования принято несколько

ограничений на использование резерва времени (например, в системах с комбинированным резервом времени), срыв функционирования является сложным событием. Появление этого события зависит от характера нарушения ограничений. В частности, срыв задания может фиксироваться при нарушении хотя бы одного любого ограничения или же всех принятых ограничениях вместе.

В работе [114] справедливо отмечено, что отказ системы ОВ является понятием субъективным. Это объясняется тем, что во многих случаях невозможно объективно установить признаки отказа объекта,-а для систем ОВ не всегда удается четко обосновать допустимый (критический) уровень потерь рабочего времени, при достижении которого существенно ухудшается качество и возникает срыв функционирования системы. В ряде случаев в системах ОВ трудно обнаружить отказ, так как для этого совершенно недостаточно иметь аппаратуру контроля РС объекта. Необходимо непрерывно вести статистику потерь рабочего времени и иметь четкие признаки, которые позволили бы своевременно фиксировать момент

срыва функционирования системы.

Учитывая приведенное выше определение понятия отказа системы ОВ, уточним понятия работоспособности и неработоспособности систем с временной избыточностью.

Работоспособное состояние - состояние системы ОВ, при котором она способна выполнять задачу при определенных условиях эксплуатации.

Неработоспособное состояние - состояние системы ОВ, при котором она не способна выполнять задачу при данных условиях эксплуатации (в это состояние система переходит после израсходования резерва времени).

Существенным в этих определениях является то, что к РС состояниям системы ОВ следует относить и такие состояния, когда объект неработоспособен (НРС), но восстановление его РС (иногда и повторение части предыдущей работы) происходит до исчерпания используемого в системе ОВ резерва времени. В дальнейшем подмножества РС и НРС состояний исследуемых систем ОВ будут определяться при разработке математической модели.

1.6 Задачи исследования

Исходя из реальных условий эксплуатации и требований компании ОАО «РЖД» по обеспечению требуемого уровня надежности СОДП и ОИ железнодорожного транспорта [54] можно сформулировать частные задачи исследования:

■ математическое моделирование процесса эксплуатации СОДП, ОИ железнодорожного транспорта с временной избыточностью;

■ проведение исследования влияния условий эксплуатации, параметров технического обслуживания на надежность СОДП, ОИ железнодорожного транспорта;

■ разработка теоретических основ и практических предложений по реализации временной избыточности в процессе эксплуатации СОДП, ОИ железнодорожного транспорта в целях повышения их надежности;

■ обоснование специальных методов, направленных на повышение эффективности использования объективно существующей временной избыточности для организации рационального ТО СОДП, ОИ железнодорожного транспорта;

определение оптимальных параметров ТО (длительности, периодичности, допустимого времени приведения з готовность из состояния ТО);

оценка экономической эффективности реализации временной избыточности в процессе эксплуатации СОДП, ОИ железнодорожного транспорта.

Вкладом в практику предполагаются результаты решения частных задач исследования, а так же выработанные на их основе практические выводы и рекомендации по организации рационального ТО в условиях резерва времени.

1.7 Выводы

1. Проведена сравнительная оценка существующих методов расчета надежности сложных технических систем. Показано, что с их помощью не всегда возможно проведение анализа надежности систем с большим числом состояний, произвольными распределениями времени наработки на отказ и восстановления РС, учет наличия различных видов

избыточности, в частности временной.

2. Обоснована комплексность подхода в учете совместного влияния факторов, влияющих на надежность, при обеспечении требуемого уровня надежности СОДП и ОИ железнодорожного транспорта на

разных стадиях жизненного цикла.

3. Указано на наличие временной избыточности в СОДП и ОИ железнодорожного транспорта. Показаны источники временной избыточности в ТС железнодорожного транспорта.

4. Произведена классификация способов временного резервирования по аналогии со структурным резервированием.

5. Сформулировано понятие отказа для системы, обладающей резервом

времени.

6. Сформулированы частные задачи исследования.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ВРЕМЕННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ

2.1 Общие положения

Математическое моделирование использует подобие между величинами, входящими в математические выражения, описывающие исследуемый объект. Согласно [65], применение математического моделирования позволяет осуществить рациональный выбор проектных параметров и конструктивных схем, обеспечивающих требуемый уровень надежности, определить стратегии испытаний, ТО и применения систем, ускорить и повысить точность и достоверность обработки результатов экспериментальных исследований и испытаний.

Как показано в главе 1, одним из эффективных способов повышения надежности ТС на этапе эксплуатации является проведение ТО и использование различных видов резерва (структурного, информационного, нагрузочного,

функционального и временного).

Исследования влияния каждого из этих способов на обеспечение надежности в отдельности проводятся достаточно давно [2,22,26,31,39,42,57,59,66,87,90,92,103], рассмотрены вопросы организации оптимального ТО [1,6,8,23,24,33.104]. Довольно полно изучены вопросы организации ТО для систем, обладающих структурным резервом [6,7,8,9,38,39,47,84]. Однако до настоящего времени практически не рассматривались вопросы организации ТО для систем с другими видами резерва, в частности, с временным резервом, хотя изучению и практическому использованию временного резервирования в последние годы уделяется все большее внимание. Наиболее полное отражение вопросы временного резервирования нашли в работах [29,58,113,114], в которых на основе общего подхода к различным задачам построены модели функционирования систем с временной избыточностью, показаны особенности этого метода обеспечения нормального функционирования различных объектов и даны рекомендации по его практическому применению.

Анализ результатов проведенных исследований показал, что модели временного резервирования обладают наибольшей возможностью для синтеза

частных результатов, полученных для отдельных видов резерва и других факторов реальной эксплуатации (условий применения, уровня надежности, параметров ТО и Т.Д.)

Следует отметить, что существующая в железнодорожной отрасли возможность создания резерва времени за счет использования структурного, функционального или нагрузочного резервирования позволяют качественно учитывать в исследованиях процесса эксплуатации ТС и эти виды резерва, что тем самым еще больше расширяет общность моделей эксплуатации систем с резервом времени. Использование объективно существующего временного резерва для проведения ТО, достаточно широкие возможности математического аппарата, используемого при описании систем, обладающих резервом времени, определяют значимость и актуальность исследований по организации рационального ТО и, особенно, его совместного использования с другими способами повышения надежности. Вместе с тем, вопросы организации рационального ТО в условиях резерва времени остаются неизученными. В частности, не исследованы вопросы оценки влияния параметров ТО на показатели надежности, а также вопросы организации рационального ТО систем с резервом времени, к которым относятся, как было показано выше, ТС и объекты железнодорожного транспорта.

В данной главе разработана математическая модель эксплуатации ТС, обладающей временной избыточностью. На основании использования аппарата теории полумарковских случайных процессов (ПМП) и операционного исчисления получены выражения для основных показателей надежности: коэффициента готовности KT{z) и вероятности безотказной работы P(t, z).

Широкое применение математических моделей на основе ПМП объясняется тем, что решение многих задач теории надежности может быть сведено к определению времени пребывания ПМП в фиксированном множестве состояний, а также возможностью использования произвольных распределений времени пребывания в этих состояниях [55]. Общие сведения математического и прикладного характера об этом классе случайных процессов можно найти в работах [13,14,55,56,83,84,101]. Выражения для показателей надежности получены

аналитическими методами [51,55,56,58] в явном виде, а также в виде исходных формул, дающих возможность использовать алгоритм численного обращения преобразования Лапласа [111]. Эти зависимости позволяют учитывать различные варианты организации и параметры ТО, условия эксплуатации, характеристики надежности, наличие различных видов резерва, а их использование позволяет сформулировать объективные требования к СРВ не только на этапе эксплуатации, но и проектирования для обеспечения требуемого уровня надежности. Полученные результаты, формализующие основные показатели надежности, представлены для произвольных законов распределения рассматриваемых случайных величин.

2.2 Методика построения полумарковской модели

Методика применения ПМП для решения задач надежности состоит из

нескольких основных этапов:

на первом этапе формируется постановка задачи, включающая в себя

условия эксплуатации исследуемой ТС и исходные данные о ней, подлежащие

определению показатели надежности, принятые допущения и ограничения. Важным

элементом первого этапа является четкая формулировка критерия отказа ТС;

■ на втором этапе выявляются связи процесса эксплуатации ТС и строится

граф состояний этого процесса. Граф включает в себя конечное множество

состояний Е={еО, el, ..., en), которое в соответствии с принятым критерием отказа

разбивается на два непересекающихся подмножества: работоспособных (Е+) и

неработоспособных (Е-) состояний ТС. Отображается множество промежуточных

состояний (G), в которых отказ не произошел, происходит израсходование резерва

времени z;

на третьем этапе производится переход от исследуемого процесса эксплуатации объекта к математической абстракции - полумарковской модели. Связь с процессом эксплуатации осуществляется через характеристики ПМП, которые зависят от исходных вероятностных характеристик исследуемого процесса;

на четвертом этапе осуществляется исследование процесса эксплуатации ТС на основе математической модели с целью определения требуемых показателей

надежности.

Основная особенность этого этапа состоит в том, что определение показателей надежности ТС сводится к нахождению стационарной вероятности пребывания

ПМП в фиксированном подмножестве состояний.

Сформулируем критерий отказа ТС в процессе эксплуатации. Под отказом ТС будем понимать событие, после возникновения которого она не способна выполнять поставленную задачу. В это состояние ТС переходит после израсходования резерва времени. То есть к подмножеству работоспособных состояний ТС отнесены и такие состояния, в которых ТС неработоспособна (проводится ТО, ремонт и т.д.), но время восстановления работоспособности меньше Подмножество неработоспособных состояний ТС Е. включает в себя лишь такие, в которые ТС переходит после израсходования резерва времени, т.е. в момент, когда продолжительность восстановления работоспособности ТС превышает значение г.

Коэффициент готовности ТС определяется как стационарная

вероятность пребывания ПМП в подмножестве работоспособных состояний Е+, О.

1>Д +1>А

Кг(г) =

¿е£+

/£С

Е ад + 2>/*/+'

¡еЕ_ /еС

(2.1)

где щ- стационарные вероятности вложенной цепи Маркова, определяемые из системы уравнений:

= I' =1' ^ = ИпЛ(0; (2.2)

¡еЯ

Р- - стационарная вероятность перехода ПМП из состояния ег- в состояние е}, У

аг среднее время пребывания ПМП в состоянии

m

at= \Yl[l-Fir(t)]dt, гФц (2.3)

Or=l

Pij(t) - вероятность перехода ПМП из состояния егв состояние ej за время, не превышающее t

t m

W=JTO-^0№,(0, г фу, (2.4)

О г=\

m - число состояний, в которые возможен переход ПМП из состояния ег- ;

Fir(t) - функция распределения случайной величины, характеризующей г-ое

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Новиков, Евгений Владимирович

4.3 Выводы

1. На основании разработанной математической модели процесса эксплуатации сложной ТС разработана инженерная методика оптимизации периодов ТО СОДП и ОН с учетом реализации в них имеющейся или искусственно созданной временной избыточности. Блочность методики и удобство реализации ее на ЭВМ позволяет рассматривать методику как возможный элемент автоматизированной системы управления эксплуатационной надежностью СОДП и ОИ железнодорожного транспорта.

2. Предложен способ автоматизации расчета показателей надежности и периодичности технического обслуживания СОДП и ОИ железнодорожного транспорта с использованием статистической информации, получаемой из КАСАНТ и других хозяйственных автоматизированных систем управления ОАО «РЖД».

3. Рассмотрен пример применения методики оптимизации процесса технического обслуживания САИ «Пальма». Предложены меры по корректировке существующей системы ТО с целью достижения максимума коэффициента готовности.

4. Предложены рекомендации по практическому использованию метода повышения надежности ТС за счет обоснованного выбора параметров процесса эксплуатации и использования объективно существующего резерва времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. На основе анализа известных методов оценки надежности сложных ТС установлено, что одним из эффективных способов обеспечения требуемого уровня надежности ОИ железнодорожного транспорта на этапе эксплуатации является проведение технического обслуживания и использование различных видов резерва, в частности временного.

2. Разработана графовая полумарковская модель процесса эксплуатации сложной технической системы, учитывающая наличие резерва времени.

3. Предложена методика расчета показателей надежности системы с резервом времени: коэффициента готовности и вероятности безотказной работы. Задача решена в общем виде при произвольном законе распределения времени безотказной работы, а также получены частные решения.

4. Произведен анализ и оценка влияния временного резервирования на надежность сложных ТС железнодорожной инфраструктуры.

5. Решен ряд задач по оптимизации параметров ТО для системы с резервом времени: периодичности, длительности, времени перевода из состояния ТО в состояние использования по назначению.

6. Разработана инженерная методика оптимизации периодов технического обслуживания СОДП и ОИ железнодорожного транспорта. Удобство реализации ее на ЭВМ позволяет рассматривать методику как возможный элемент АСУ эксплуатационной надежностью ОИ железнодорожного транспорта.

7. Предложен способ автоматизации расчета показателей надежности и периодичности технического обслуживания СОДП и ОИ железнодорожного транспорта с использованием статистической информации, получаемой из КАСАНТ и других хозяйственных АСУ ОАО «РЖД».

8. Разработана математическая модель для оценки экономической эффективности реализации временной избыточности в процессе эксплуатации сложных ТС железнодорожной инфраструктуры.

9. Предложенный метод нашел применение при производстве кодовых бортовых датчиков системы радиочастотной идентификации подвижного состава «Пальма», находящейся в эксплуатации на сети железных дорог и при оценке надежности функционирования систем электроснабжения нетяговых потребителей и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новиков, Евгений Владимирович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров А.И. и др. Эксплуатация радиотехнических комплексов. М.: Советское радио, 1976.

2. Алексеенко А.Я., Адерихин В.И. Эксплуатация радиотехнических систем. М.: Воениздат, 1980

3. Анализ состояния безопасности движения поездов, надежности работы систем и устройств ЖАТ в хозяйстве автоматики и телемеханики в 2009 году.

4. Анализ состояния безопасности движения поездов, надежности работы систем и устройств ЖАТ в хозяйстве автоматики и телемеханики в 2010 году. № ЦШЦ-50/80.

5. Базовский И.А. Надежность. Теория и практика. Пер.с англ./ Под ред. Б.Р.Левина. М.: Мир, 1965.

6. Байхельт Ф., Франкен Н. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход./Перевод с немецкого. М.: Радио и связь, 1988

7. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Некоторые математические вопросы теории обслуживания сложных систем. М.: Советское радио, 1971.

8. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. М.: Высшая школа, 1982.

9. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности / Перевод с английского. М.: Советское радио, 1969.

10.Безродный Б. Ф., Горелик А. В., Неваров П. А., Шаляпин А. В. Принципы управления надежностью систем железнодорожной автоматики и телемеханики //Автоматика, связь, информатика. - 2008. - №7. - С. 13 - 14.

П.Беляев Ю.К., Богатырев В.А., Болотин В.В. Надежность технических систем. Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

12.Беркс К. Теория графов и ее применение / Перевод с английского. М.: Издательство иностранной литературы, 1962.

13.Броди С.М., Погосян И.А. Вложенные стохастические процессы в теории массового обслуживания. Киев: Наукова думка, 1973.

14.Броди С.М., Власеико О.Н., Марченко Б.Г. Расчет и планирование испытаний систем на надежность. Киев: Наукова думка, 1970.

15.Бруевич Н.Г. Основные вопросы теории и практики надежности. М.: Советское радио, 1980.

16.Бугреев В.А., Новиков Е.В. Математическое моделирование систем и процессов железнодорожного транспорта, обладающих временной избыточностью // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. - Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ».- 2010. - С.364-366.

17.Бугреев В.А. Обоснование комплексного подхода к обеспечению требуемого уровня надежности объектов радиоэлектронной техники: Проблемы повышения эффективности АСУ // Материалы научно-технического семинара. Киев: ВА ПВО, 1989.

18.Бугреев В.А., Новиков Е.В. Обеспечение требуемого уровня надежности объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта и систем обеспечения движения поездов за счет реализации временной избыточности // Наука и техника транспорта. - 2011. - № 3. - С. 81-87.

19.Бугреев В.А., Новиков Е.В. Обеспечение требуемого уровня надежности технических средств железнодорожного транспорта за счет оптимизации параметров системы технического обслуживания // Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. Межвузовский сборник научных трудов. - М.: МИИТ.- 2011.

20.Бугреев В.А., Новиков Е.В. Определение необходимых и достаточных условий существования оптимального периода технического обслуживания для систем с резервом времени // Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы транспорта на современном этапе», посвященной 60-летию Российской открытой академии транспорта.- М.: МИИТ.-2011.- С. 33-37.

21.Бугреев В.А., Новиков Е.В. Сравнительная оценка методов повышения надежности сложных технических систем // Сборник научных трудов кафедры «Транспортные установки».- М.: МАДИ (ГТУ). -2009 . - Т.1.- С. 85-92.

22.Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.

23.Быкадыров А.К., Кульбок Л.И. Основы эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры. М.: Высшая школа, 1978.

24.Василенкова Т.А. Периодичность профилактики станционных устройств автоматики. // Транспорт: наука, техника, управление. - М.: ВИНИТИ, 2005.

25.Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. - М.: Высш. шк., 2000.

26.Вопросы математической теории надежности. / Под ред. Гнеденко Б.В. М.: Радио и связь, 1983.

27.Временные отраслевые нормы времени и нормативы численности на техническое обслуживание пунктов считывания системы автоматической идентификации подвижного состава «Пальма». М.: ЦОТЭН ОАО «РЖД», 2004.

28. Гапанович В.А. Обеспечивать надежную работу технических средств // Железнодорожный транспорт.-2008.-№9.-С.1-6.

29.Гаркави А.Л., Гоголевский В.Г., Барбовецкий В.П. Надежность контролируемых восстанавливаемых устройств с временной избыточностью. В кн.: Теория надежности и массового обслуживания / Под ред. Гнеденко Б.В. М.: 1969. С. 108-118.

30.Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М.: Советское радио, 1969.

31.Гнеденко Б.В. Теория надежности и массового обслуживания. М.: Радио и связь, 1969.

32.Голинкевич Т.А Прикладная теория надежности. М.: Высшая школа, 1985.

33.Горелик A.B. Математическая модель для расчета периодичности техобслуживания устройств железнодорожной автоматики // Автоматика, связь, информатика. - 2002. - №6. - С. 40 - 41.

34.Горелик А. В., Неваров П. А., Тарадин Н. А. Методы анализа эксплуатационной надёжности и безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. -Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2009. - С. 230 - 234.

35.ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1989.

36.ГОСТ Р МЭК 61508-5-2007. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью. Рекомендации по применению методов определения уровней полноты безопасности. Часть 5.

37.Гуров C.B. Методы и модели анализа надежности сложных технических систем с переменной структурой и произвольными законами распределения случайных параметров, отказов и восстановлений. Дисс. на соиск. уч. степени, д-ра техн. наук. СПб.: JITA, 1997 (на правах рукописи).

38.Дедков В.К., Северцев А.И. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. М. : Высшая школа, 1976.

39.Демьянчук B.C., Броди С.М. Надежность обслуживаемых радиоэлектронных систем. Киев: Вища школа, 1976.

40.Демьянчук B.C. Надежность систем управления воздушным движением. -Киев: Вища школа, 1979.

41.Дилок Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем / Перевод с английского.М.: Мир, 1984.

42.Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. -М.: Энергоиздат, 1986.

43.Дьяконов В.П. Системы компьютерной алгебры Derive. M.: СОЛОН-Р, 2002.

44. Дьяконов В.П. Справочник по системе символьной математики Derive. M.: "СК Пресс", 1998.

45.3амышляев A.M., Прошин Г.Б. Оценка качества работы технических средств // Евразия вести.-2008.-№ 12-С. 10-12.

46.3бырко М.Д., Кузнецов В.П., Турбин А.Ф. О полумарковской модели для анализа надежности систем с восстанавливаемой зашитой. - Автоматика и телемеханика, 1980,№6.

47.Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.И. Теория массового обслуживания. М.: Высшая школа, 1982.

48.Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту устройств электроснабжения сигнализации, централизации, блокировки и связи на федеральном железнодорожном транспорте (№ ЦЭ-881). Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. - М., «ТРАНСИЗДАТ», 2002.

49.Инструкция по техническому обслуживанию пунктов считывания железнодорожного узла. М.: ЗАО «ОЦВ»,2003 г.

50.Инструкция по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки (№ ЦШ-720). Департамент сигнализации, централизации и блокировки Министерства путей сообщения Российской Федерации. - М„ «ТРАНСИЗДАТ», 2000.

51.Калашников В.В., Рачев С.Т. Математические методы построения стохастических моделей обслуживания. М.: Наука, 1988.

52. Кокс Д.Р., Смит В.П. Теория восстановления / Перевод с английского. М.: Советское радио, 1967.

53.Каштанов В.А., Медведев А.И. Теория надежности сложных систем. М.: Физматлит, 2010.

54.Концепция комплексного управления надежностью, рисками, стоимостью жизненного цикла на железнодорожном транспорте (утверждена Старшим вице-президентом ОАО РЖД В.А. Гапановичем 31.07.2010 г).

55.Королюк B.C. Время пребывания полумарковского процесса в фиксировано множестве состояний. Украинский математический журнал, 1966, № З.С.65-68.

56.Королюк B.C., Турбин А.Ф. Полумарковские процессы и их приложения. Киев: Наукова думка, 1976.

57.Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Советское радио, 1975.

58.Креденцер Б.П. Прогнозирование надежности систем с временной избыточностью. Киев: Наукова думка, 1978.

59.Кузьмин Ф.М. Задачи обеспечения надежности технических систем. М.: Радио и связь, 1982.

60. Латинский С.М., Шарапов В.И. Теория и практика эксплуатации радиолокационных систем. М.: Советское радио, 1970.

61.Легкий Н.М., Козлов В.И. Построение пунктов считывания САИ «Пальма» // Система автоматической идентификации «Пальма». Опыт проектирования, внедрения и эксплуатации: Сборник статей / под ред. Н.М.Легкого, В.И.Денисова. - МИИТ, 2007.

62. Легкий Н.М. Обеспечение производственной эффективности при проектировании и производстве устройств радиочастотной идентификации. Дисс. на соиск. уч. степени д-ра техн. наук. - М.: МИРЭА, 2011 (на правах рукописи).

63.Линденбаум М.Д., Ульяницкий Е.М.. Надежность информационных систем. М: ГОУ УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте, 2007.

64.Михайлов A.B. Эксплуатационные допуски и надежность в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Советское радио, 1970.

65.Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. / Ред. совет: B.C. Авдуевский (преде.) и др. - М.: Машиностроение, 1990.

66.Надежность технических систем: Справочник/под редакцией И.А. Ушакова,-М.: Радио и связь, 1983.

67.Неваров П. А. Модель оценки надёжности систем железнодорожной автоматики и телемеханики // Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. Межвузовский сборник научных трудов. - М.: МИИТ, 2009. - С. 22 - 26.

68.Новиков Е.В. Анализ влияния временного резервирования на надежность аппаратно-программных комплексов // Труды 11 Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.:МИИТ .- 2010.

69.Новиков Е.В. Анализ временной избыточности в технических системах железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. - 2007 . - № 4 С. -С. 83-85.

70.Новиков Е.В. Анализ надежности сложных технических систем с учетом их физической реализуемости // Сборник научных трудов каф-дры «Транспортные установки»,- М.: МАДИ (ГТУ). -2009 . - Т.2.- С. 131-140.

71.Новиков Е.В. К вопросу об обеспечении надежности электроэнергетических систем в условиях рыночной экономики // Сборник трудов 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Техническое творчество как средство развития конкурентоспособности и повышения качества инженерной деятельности».- Н-Тагил .- филиал УрГУПС.- 2010.- С.52-55.

72.Новиков Е.В. Математическая модель основного режима функционирования системы. // Сборник научных трудов кафедры «Транспортные установки».- М.: МАДИ (ГТУ) . -2008 . - Т.2.- С. 72-81.

73.Новиков Е.В. Научно-методический подход к разработке инженерной методики расчета показателей надежности // Сборник научных трудов кафедры «Транспортные установки»,- М.: МАДИ (ГТУ). -2008 . - Т. 1.- С. 111-116.

74.Новиков Е.В. Обоснование комплексного подхода к вопросу повышения надежности технических объектов специального назначения // Материалы 33-их академических чтений по космонавтике, посвященных памяти ак. Королева С.П. и других выдающихся ученых - пионеров освоения космического пространства. - М.:МГТУ им. Баумана . - 2009 г.

75.Новиков Е.В. Один из подходов к повышению надежности сложных технических систем при наличии временной избыточности // Сборник научных трудов кафедры «Транспортные установки».- М.: МАДИ (ГТУ) . -2009 . - Т.2.-

С. 16-22.

76.Новиков Е.В. Оценка влияния временного резервирования на надежность сложных технических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки.- 2010,- Выпуск №4,часть 2.- С.28-33.

77. Новиков Е.В. Оценка топологических методов анализа надежности сложных технических систем // Сборник научных трудов кафедры «Транспортные установки»,- М.: МАДИ (ГТУ). -2009 . - Т.З.- С. 271-280.

78.Новиков E.B. Повышение надежности технических объектов железнодорожного транспорта за счет обоснованного выбора параметров процесса эксплуатации// Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. Межвузовский сборник научных трудов. -М.: МНИТ, 2008.-С. 55 -58.

79.Новиков Е.В. Повышение надежности технических систем за счет обоснованного выбора параметров процесса эксплуатации // Труды научно-практической конференции Неделя науки 2009 «Наука МИИТа - транспорту».-М.: МНИТ . - 2009.

80.Новиков Е.В. Профилактическое обслуживание систем с временной избыточностью // Труды 11 Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».- М.:МИИТ.- 2010.

81.Оптимальные задачи надежности / Под ред. Ушакова И.А. Издательство

комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1968.

82.0рэ О. Графы и их применение: Перевод с английского. М.: Мир, 1965.

83.Переверзев Е.С. Случайные процессы в параметрических моделях надежности. Киев: Наукова думка, 1987.

84.Переверзев Е.С., Чумаков Л.Д. Параметрические модели отказов и методы оценки надежности технических систем. Киев: Наукова думка,1989.

85.Половко A.M., Гуров C.B. Основы теории надежности. Практикум. СПб.: БХВ-Петербург,2005.

86.Половко A.M., Гуров C.B. Основы теории надежности. СПб.: БХВ-Петербург,2008.

8 7. По ловко A.M. Основы теории надежности. М.: Наука, 1964. 88.Половко A.M. Derive 5 для студента. СПб.: БХВ-Петербург,2005. 8 9. Пункт считывания системы автоматической идентификации «Пальма». Руководство по эксплуатации. М.: ЗАО «ОЦВ»,2002 г.

90.Райкин А.П. Элементы теории надежности для проектирования технических систем. М.: Советское радио, 1967.

91.Раков А.И. Надежность радиорелейных и спутниковых систем передачи. М.: Советское радио, 1981.

92.Райншке К., Ушаков H.A. Модели надежности и чувствительности систем. М.: Радио и связь, 1988.

93.Райншке К., Ушаков H.A. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988.

94.Резиновский А .Я. Испытания на надежность радиоэлектронных комплексов. М.: Радио и связь, 1985.

95.Розенберг E.H., Замышляев A.M., Прошин Г.Б. Совершенствование системы управления содержанием эксплуатационной инфраструктуры с применением современных информационных технологий// Надежность.-2009.-№4.-С. 14-22.

96.Розенберг E.H., Шубинский И.Б. Методы и модели функциональной безопасности технических систем. М.: ВНИИАС, 2004 г.

97.Руководство пользователя. Комплексная автоматизированная система управления хозяйством сигнализации, централизации и блокировки второго поколения (АСУ-Ш2). Комплекс задач общесетевого уровня «Учёт и анализ технической оснащённости железных дорого устройствами СЦБ» (Кз ТехОс-Ц). - Санкт-Петербург: Росжелдорпроект, 2007.

9 8. Руководство пользователя. Комплексная автоматизированная система управления хозяйством сигнализации, централизации и блокировки второго поколения (АСУ-Ш2). «Учёт и анализ, отказов повреждений и неисправностей устройств ЖАТС» (КЗ ОУ-ЖАТС). - Санкт-Петербург: Росжелдорпроект, 2006.

99.Рябинин И.А., Черкесов Г.Н. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. М.: Радио и связь, 1981. СТР8

100. Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Шаманов В. И. Надёжность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Маршрут, 2003.

101. Сильвестров Д.С. Полумарковские процессы с дискретным множеством состояний. М.: Советское радио, 1980.

102. Смит Д. Дж. Безотказность, ремонтопригодность и риск. Практические методы для инженеров, включая вопросы оптимизации надёжности и систем, связанных с безопасностью. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

103. Справочник по надежности: Перевод с английского/ Под ред. Левина Б.Р. М.: НИР, 1969.

104. Степанов C.B. Профилактические работы и сроки их проведения. М.: Советское радио, 1972.

105. Стратегия развития железнодорожного транспорта на период до 2030 года. -Утверждена распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 г. № 877-р.

106. Техническая эксплуатация устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики. / Вл.В. Сапожников, Л.И. Борисенко, A.A. Прокофьев, А.И. Каменев: Под ред. Вл.В. Сапожникова. - М.: Маршрут, 2003.

107. Тулупов Л. П., Лецкий Э. К., Шапкин И. Н., Самохвалов А. И. Управление и информационные технологии на железнодорожном транспорте: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005.

108. Уткин В.Ф. Эффективность технических систем. М.: Машиностроение, 1986.

109. Функциональная стратегия обеспечения гарантированной надёжности и безопасности перевозочного процесса. -М.: ОАО «РЖД», 2007.

110. Червонный А. А., Лукьященко В. И., Котин М. Надёжность сложных систем. -М.: Машиностроение, 1972.

111. Черкесов Г.Н., Митрофанов С.Ф. Алгоритм численного обращения двумерного преобразования Лапласа. М.: ГРАП, 1980.

112. Черкесов Г.Н., Можаев A.C. Логико-вероятностные методы расчета надежности структурно-сложных систем. М.: Знание, 1991.

113. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. СПб.: Питер, 2005.

114. Черкесов Г.Н. Надежность технических систем с временной избыточностью. Советское радио, 1974.

115. Черкесов Г.Н. Проектирование системы контроля с учетом надежности. М.: Знание, 1989.

116. Ягудин Р. Ш. Надёжность устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, -М.: Транспорт, 1990.

117. ISO 9000: Quality management and quality assurance standards. 1991.