О функциональной безопасности сложной технической системы управления с цифровыми двойниками

Цель данной статьи заключается в оценке преимуществ применения технологии цифровых двойников по сравнению со стандартными подходами построения безопасносй двухканальной системы.

Методы. Система описывается с помощью Марковской модели. Эта модель позволяет определить количественные характеристики безопасности при наличии в системе защитных отказов.

Результаты. Выведены основные количественные показатели безопасности системы как среднее время до опасного отказа и среднее время до защитного отказа, а также количественные соотношения основных и дополнительных затрат для партии продукции.

Заключение. Преобразование исходного объекта в систему с цифровыми двойниками позволяет значительно снизить интенсивность опасных отказов. Данный эффект может быть получен не только с помощью технологии цифровых двойников, но и вследствие переводов системы в состояния защитных отказов при каждом событии несовпадения результатов работы исходного объекта и/или цифровых двойников. Установлено, что среднее время до защитного отказа системы при этих условиях не меньше среднего времени до отказа исходного объекта. Это означает, что при достижении высокой эффективности повышения безопасности есть возможность сохранить надежность системы на уровне не ниже уровня надежности исходного объекта. Введение в состав системы цифровых двойников – это новый, еще не апробированный подход к обеспечению безопасности системы. Решение о целесообразности дополнительных затрат принимают совместно заказчик и разработчик системы. При этом надо учитывать, что при большой партии изготавливаемых технических систем нивелируется влияние дополнительных затрат и сохраняется эффект значительного повышения безопасности  систем.

1. IEC 61508, Functional safety of electrical/electronic/ programmable electronic safety-related systems, 2010.

2. EN 50128, Railway applications – Communication, signalling and processing systems – Software for railway control and protection systems, 2011.

3. EN 50129, Railway applications – Communication, signalling and processing systems – Safety related electronic systems for signalling, 2018.

4. Schabe H. The Safety Philosophy behind CENELEC Rails Standards, Proceedings ESREL 2002,.Lyon, March 19-21, 2002. P. 788-790.

5. Hirao Y. Watanabe I. Safety technologies and management of railway signalling in Japan. Signal + Draht. 2000. №5.

6. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Христов Х.А. и др. Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики / Под ред. Сапожникова Вл.В. М.: Транспорт. 1995. 272 с.

7. Shubinsky I.B., Sheabe X. On the definition of functional reliability, Proceedings of the ESREL 2013, Safety, Reliability and Risk Analysis: Beyond the Horizon

8. – Steenbergen et al. (Eds) 2014 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-1-138-00123-7. P. 3021-3027.

9. Shubinsky I.B., Sheabe X., Rozenberg E.N. A short study on rebooting safe computers and the impact on safety, ESREL 2009, Proceedings Reliability, Risk and Safety, vol. 1. P. 175-178

10. Braband J. A practical guide to safety analysis methods/ Signal+Draht International. 2001.

11. Gulker J., Schabe H. Physical Principles of Safety. In ESREL 2006 ProceedingsSafety Reliability and Risk analysis, vol. 2. Rotterdam: Balkema, 2006. P. 1045–1050.

12. Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Зайченко Т.Н. Методика стратификации и интеграции компьютерной модели сложной технической управляемой системы // Информатика и системы управления. 2016. № 4(50).

13. Батраев В.В, Кудряшов С.В., Попов П.А., Розенберг Е.Н., Розенберг И.Н., Шухина Е.Е., Шубинский И.Б. Двухканальная система для регулирования движения железнодорожных транспортных средств. Патент РФ № 2726243. 2020. Бюл. № 19.

14. Гнеденко Б.В., Коваленко Б.В. Введение в теорию массового обслуживания, М.: Наука, 1987.

15. Шубинский И.Б. Структурная надежность информационных систем. Методы анализа. М.: Журнал Надежность, 2012. 212 с.

16. Mason Samuel J. Feedback Theory – Further Properties of Signal Flow Graphs // Proceedings of the IRE. 1956. Vol. 44. No. 7. P. 920–926. doi:10.1109/jrproc.1956.275147

17. Григелионис Б.И. О точности приближения композиции процессов восстановления пуассоновским процессом // Литов. матем. сб. 1962. Т. 2. № 2. С. 135-143.

18. Погожев И.Б. Оценка отклонения потока отказов в аппаратуре многофазового использования от пуассоновского потока // Кибернетику – на службу коммунизму, Т. 2. М.: Энергия, 1964. С. 228-245

19. Назаров А.А., Лапатин И.Л. Ассимптотические пуассоновские МАР-потоки // Известия Томского государственного университета. (Управление, вычислительная техника и информатика). 2010. № 4(13). С. 72-78.

20. Braband, J. Gall, H., Schäbe, H., Proven in Use for Software: Assigning an SIL Based on Statistics in: Handbook of RAMS in Railway systems – Theory and Practice, Qamar Mahboob, Enrico Zio (Eds.), 2018, Boca Raton, Taylor and Francis, Chapter 19. P. 337-350.

21. EN 50159 Railway applications Communication, signaling and processing systems Safety-related communication in transmission systems, 2010.