Полумарковские модели, алгоритмы и комплекс программ оптимизации технического обслуживания сложных технологических систем с учётом старения оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Клёнов, Сергей Григорьевич

• Клёнов, Сергей Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Клёнов, Сергей Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОРГАНИЗА-* ЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧЁТОМ СТАРЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на износ и старение оборудования сложных технологических систем.

1.2. Обоснование выбора показателей эффективности стратегии технического обслуживания сложных технологических систем.

1.2.1. Основные требования, предъявляемые к показателю эффективности

1.2.2. Выбор вида показателя эффективности технического обслуживания

1.3. Характеристика математических моделей деградационных процессов в сложных технологических системах.

1.3.1.Математические модели параметрических отказов.

1.3.2. Математическая модель деградационных процессов на базе аппроксимации статистических функций распределений.

1.3.3.Математическая модель отказов с накоплением нарушений.

1.4. Современные методы определения оптимальных параметров технического обслуживания сложных технологических систем.

1.5. Постановка цели и задач диссертационной работы.

2. РАЗРАБОТКА ПОЛУ МАРКОВСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧЁТОМ СТАРЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1. Разработка базовой полумарковской модели процесса эксплуатации сложных технологических систем с учётом старения оборудования.

2.2. Алгоритм определения динамических характеристик полумарковских процессов для систем с произвольным числом состояний.

2.3. Разработка модифицированного метода деформируемого многогранника для определения минимума многомерных функций.

2.4 Алгоритм дробно-рациональной аппроксимации и расчёта интерваль-но-переходных вероятностей состояний длыя полумарковской модели процесса эксплуатации СТС.

2.5. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРАТЕГИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИТСТЕМ С УЧЕТОМ СТАРЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ.

3.1. Алгоритм расчёта оптимальных параметров технического обслуживания СТС с медленно стареющим оборудованием

3.2. Алгоритм расчёта оптимальных параметров технического обслуживания СТС с быстро стареющим оборудованием

3.3. Алгоритм расчёта характеристик точности полумарковской модели процесса эксплуатации СТС с учётом старения оборудования.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1.Архитектура и режимы функционирования комплекса программ «Надёжность» автоматизированного построения полумарковских моделей процесса эксплуатации сложных технологических систем с учётом старения оборудования.

4.2. Общая характеристика сложной технологической системы производства слабой азотной кислоты как объекта технического обслуживания.

4.3. Применение разработанного комплекса программ «Надёжность» для расчёта оптимальных параметров технического обслуживания технологической системы производства слабой азотной кислоты.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полумарковские модели, алгоритмы и комплекс программ оптимизации технического обслуживания сложных технологических систем с учётом старения оборудования»

Повышение экономической эффективности химических производств, представляющих собой сложные технологические системы (СТС), во многом определяется эффективностью организации технического обслуживания используемого оборудования и СТС в целом. Основной задачей технического обслуживания СТС является обеспечения заданного уровня надёжности, который во многом определяет степень их готовности к использованию по назначению.

Основными факторами, определяющими снижение показателей надёжности СТС, являются низкая квалификация обслуживающего персонала, несоблюдении правил эксплуатации СТС, недостаточная эффективность организации технического обслуживания СТС без учёта старения оборудования. Последняя причина в значительной степени зависит от применения в АСУ надежностью СТС современных математических моделей, вычислительных алгоритмов и комплексов программ, учитывающих влияние на уровень эксплутационной надёжности СТС старения оборудования.

Существуют различные подходы к математическому моделированию процессов эксплуатации СТС. В этой области хорошо известны труды отечественных учёных, академика РАН К.В. Фролова, чл. кор. РАН П.П. Пархоменеко, профессоров Н.А.Северцева, В.П. Мешалкина, Б.В. Палюха, В.И. Тихонова, В.И. Мищенко, A.B. Мозголевского, Е.И. Сычёва, H.A. Скляревича, В.К. Дедкова и др. В целом ряде указанных работ как одно из перспективных направлений решения задачи оптимизации технического обслуживания СТС предлагается использование полумарковских моделей.

Уровень надежности СТС существенно зависит от того, на каком периоде эксплуатации они находятся (приработки, нормальной эксплуатации или старения). Существующие математические модели анализа надёжности СТС не в полной мере позволяют учесть процессы старения оборудования СТС, что негативно сказывается на определении оптимальных параметров технического обслуживания. Следует также отметить, что в ряде случаев применение известных полумарковских моделей эксплуатации СТС в значительной степени затруднено отсутствием возможности получения точного решения. Это вызвано тем, что применение для определения минимума многомерной функции, характеризующей эффективность технического обслуживания СТС, известных численных методов, обеспечивающих решение указанной задачи, приводит в ряде случаев к весьма неустойчивым результатам.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что задача разработки полумарковских моделей процесса эксплуатации, учитывающих процессы старения оборудования СТС, а также численных методов, которые позволяют на основе использования полумарковских моделей осуществлять выбор оптимальных параметров стратегии технического обслуживания СТС с целью достижения заданного уровня эксплутационной надёжности СТС, является актуальной научной задачей, имеющей существенное практическое значение для обеспечения требуемых показателей экономической эффективности и экологической безопасности СТС химических предприятий при старении оборудования.

Содержание основных разделов диссертации соответствует перечню критических технологий, определяемых политикой РФ в области науки и технологии на период до 2010 г. - «Компьютерное моделирование».

Методы исследования в диссертации. Указанные задачи решены с использованием системного подхода к исследованию процесса эксплуатации СТС, методов теории надёжности и теории полумарковских процессов, методов теории вероятностей и математической статистики.

Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется корректным применением методов теории надежности и теории полумарковских процессов, методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность основных положений диссертации подтверждена вычислительными экспериментами на персональных компьютерах и реальными натурными наблюдениями, результаты которых подтверждают адекватность разработанных моделей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Алгоритм построения полумарковской модели процесса эксплуатации СТС с учётом старения оборудования.

2. Алгоритм аппроксимации интервально-переходных функций вероятностей, характеризующих поведение полумарковского процесса в нестационарном режиме, дробно- рациональными функциями, позволяющий определять эти вероятности как функции времени для полумарковских процессов с произвольным числом состояний СТС.

3. Модифицированный метод минимизации многомерных функций (метод деформируемого гипермногогранника).

4. Архитектура и режимы функционирования комплекса программ расчёта оптимальных параметров технического обслуживания СТС, реализующего автоматизированное построение и применение полумарковских моделей процесса эксплуатации СТС с учётом старения оборудования на персональных компьютерах, который является важным компонентом АСУ эксплутационной надежностью СТС химических производств.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработана базовая полумарковская модель процесса эксплуатации СТС, которая в отличие от известных, позволяет определять значение коэффициента готовности СТС как функцию основных параметров стратегии технической обслуживания при наличии в системе избыточности различного рода и с учётом старения оборудования.

2. Предложен алгоритм аппроксимации интервально-переходных функций вероятностей для состояний полумарковской модели процесса эксплуатации СТС дробно-рациональными функциями, позволяющий определять эти вероятности как функции времени для полумарковских процессов с произвольным числом состояний.

3. Разработан модифицированный метод минимизации многомерных функций (метод деформируемого гипермногогранника), что расширяет его возможности при расчёте оптимальных параметров технического обслуживания СТС с учётом старения оборудования для определения минимума выпуклых многомерных функций.

4. Предложена полумарковская модель процесса эксплуатации СТС, позволяющая определить параметры стратегии технического обслуживания медленно стареющего технологического оборудования с учётом влияния различных дестабилизирующих факторов.

5. Разработана полумарковская модель процесса эксплуатации СТС, позволяющая определять оптимальную периодичность обслуживания СТС с быстро стареющим оборудованием химических производств, которая в отличие от известных полумарковских моделей позволяет описать ситуации, когда скорость старения (или рост интенсивности отказов) может быть произвольной.

Практическая значимость работы.

1. На основе предложенных методов и алгоритмов с использованием среды визуального программирования BORLAND DELPHI 6.0 разработан комплекс программ «Надёжность» оптимизации параметров стратегии технического обслуживания СТС, который позволяет автоматически строить полумарковскую модель процесса эксплуатации СТС, включающий в себя универсальные и специализированные программные модули. Указанный комплекс программ «Надёжность» может входить в состав АСУ надёжностью химических производств.

2. Проведена серия вычислительных экспериментов по проверке работоспособности комплекса программ «Надёжность», результаты которых показали адекватность предлагаемых полумарковских моделей и возможность повышения на основе их применения эффективности технического обслуживания СТС.

3. Результаты практического применения комплекса программ «Надёжность» для определения оптимальных параметров технического обслуживания СТС производства слабой азотной кислоты показала, что его использование позволяет повысить эксплуатационную надёжность и экономическую эффективность производства.

Реализация результатов работы. Разработанные математические модели, алгоритмы и комплекс программ «Надёжность» практически используются в АСУ надёжностью технологической системы производства слабой азотной кислоты на HAK «Азот» (г. Новомосковск) и ОАО «Дорогобуж» (Смоленская обл.), что позволило за счет расчёта и реализации оптимальных параметров стратегии технического обслуживания увеличить срок службы и повысить коэффициент готовности СТС к применению, что позволило повысить показатели экономической эффективности предприятий.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовском семинаре «Современные проблемы управления» (Смоленск, 2001), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Москва, 2002), Международной научной конференции «Математические методы в информационных интеллектуальных системах» (Смоленск, 2002), Всероссийской конференции с международным участием «Современные информационные технологии в экологии и медицине» (Смоленск, 2003), а также на научных семинарах в РХТУ им Д.И. Менделеева.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. В работах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат все результаты, относящиеся к теоретическим и методическим аспектам построения полумарковских моделей процесса эксплуатации СТС с учётом старения оборудования, а также результаты по практическому применению разработанных полумарковских моделей для решения задач оптимизации параметров технического обслуживания.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Клёнов, Сергей Григорьевич

К основным результатам диссертационного исследования можно отнести следующие положения.1. Разработана базовая полумарковская модель процесса эксплуатации СТС с учётом старения оборудования, которая позволяет определять значение коэффициента готовности СТС как функцию основных параметров стратегии технического обслуживания при наличии в системе избыточности различного рода.2. Предложен алгоритм аппроксимации функций интервально переходных вероятностей состояний СТС для полумарковской модели процесса эксплуатации СТС дробно-рациональными функциями, позволяющий определять эти вероятности как функции времени для полумарковских процессов с произвольным числом состояний системы.3. Разработан модифицированный метод минимизации многомерных функций (метод деформируемого гипермногогранника), что допускает использование этого метода при расчёте показателей надёжности СТС с учётом старения оборудования для определения минимума многомерных выпуклых функций.4. Предложена полумарковская модель процесса эксплуатации СТС, позволяющая определить параметры технического обслуживания СТС с медленно стареющим оборудованием с учётом влияния на безотказность работы оборудования различных дестабилизирующих факторов.5. Разработана полумарковская модель процесса эксплуатации СТС, позволяющая определять оптимальную периодичность технического обслуживания СТС с быстро стареющим оборудованием. Данная модель в отличие от известных полумарковских моделей позволяет описать ситуации, когда скорость старения (или рост интенсивности отказов) СТС может быть произвольной.6. На основе предложенных методов и алгоритмов с использованием среды визуального программирования BORLAND DELPHI 6.0 разработан комплекс программ «Надёжность» расчёта оптимальных параметров технического обслуживания СТС, включающий в себя универсальные и специализированные программные модули и входящий в состав АСУ надёжностью химических производств.7. Разработанные полумарковские модели, алгоритмы и комплекс программ «Надёжность» практически используются в АСУ надёжностью СТС производства слабой азотной кислоты на НАК «Азот» (г. Новомосковск) и ОАО «Дорогобуж» (Смоленская обл.), что позволило за счет определения и реализации оптимальных параметров стратегии технического обслуживания увеличить срок службы и повысить коэффициент готовности СТС, обеспечивая повышение показателей экономической эффективности деятельности указанных химических предприятий.Результаты диссертации опубликованы в следующих работах.\. Клёнов Г. Методы описания процессов эксплуатации сложного производственного оборудования при помощи полумарковских процессов // Сб. тр. межвуз. сем. «Современные проблемы управления». - Смоленск: ВУ ВПВО ВУ РФ, 200L( 2 с.)

2. Клёнов Г., Мешалкин В.П. Полумарковские модели процесса эксплуатации стареющих химико-технологических систем // Сб. тр. межд.науч.-практ. конф. «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности», т.З.-М.: РХТУ, 2002. (3 с)

3. Мешалкин В.П., Клёнов Об одном подходе к минимизации многомерных функций // Сб. тр. межд. науч. конф «Математические методы в информационных интеллектуальных системах», - Смоленск: СФМЭИ, 2002. (2с.)

4. Клёнов Г., Мешалкин В.П., Метод аппроксимации интервально переходных вероятностей для состояний полумарковской модели // Сб. тр.межд. науч. конф «Математические методы в информационных интеллектуальных системах», - Смоленск: СФМЭИ, 2002. (2с.)

5. Клёнов Г. . Полумарковская модель процесса эксплуатации обслуживания медленно стареющего технологического оборудования // Сб.тр. Всерос. науч. конф с межд. учас. «Современные информационные технологии в экологии и медицине» - М.: Физматлит, 2003. (4 с.) В работах, написанных в соавторстве, Г. Клёнову принадлежат следующие результаты. В [2] предложен алгоритм построения полумарковской модели процесса эксплуатации СТС с учётом старения оборудования; в [3] и [4] предложен усовершенствованный метод деформируемого гипермногогранника для определения экстремума многомерных функций.Автор искренне благодарит коллектив кафедры логистики и экономической информатики Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева и заведующего кафедрой заслуженного деятеля науки и техники РФ д.т.н. профессора В.П. Мещалкина за помощь в подготовке диссертационной работы.