Preview

Надежность

Расширенный поиск
Том 17, № 2 (2017)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)
https://doi.org/10.21683/1729-2646-2017-17-2

СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

4-10 351
Аннотация

Цель. В статье рассмотрено поведение восстанавливаемых объектов, которые являются сложными системами и формируют неоднородный во времени поток отказов. Для описания надежности объектов использована модель геометрических процессов. Математическая модель этих процессов позволяет учитывать как старение, так и омоложение системы. В первом случае интенсивность потока отказов усиливается с течением времени. Это соответствует периоду старения, когда интенсивность отказов постепенно увеличивается, система отказывает все чаще и чаще. Во втором случае интенсивные в начале эксплуатации отказы со временем становятся реже. Такой этап эксплуатации в технической литературе называется периодом приработки. Частным случаем модели геометрических процессов являются обычные процессы восстановления. В реальных условиях эксплуатации не все наработки могут завершиться отказом. Возникают ситуации, когда, к примеру, во время профилактических работ выявляется какой-либо недостаток объекта наблюдения, и объект заменяется на другой. Или по ряду причин необходима какая-то процедура, для выполнения которой объект выводится из эксплуатации и также заменяется на идентичный. При этом выведенный из рабочего режима объект ремонтируется, модернизируется или просто находится в резерве. Другая ситуация с незавершенной наработкой возникает в том случае, когда наблюдение за объектом исследования прекращено. Точнее говоря, объект на момент времени завершения наблюдения над ним продолжает работать. Например, может быть известно, что на настоящий момент времени объект функционирует. Обе описанные ситуации классифицируют наработку как цензурированную справа. Задача состоит в нахождении оценок параметров математической модели геометрического процесса по известным полным и цензурированным справа наработкам, предположительно подчиняющимся модели геометрического процесса. Для полных наработок эта задача решена для различных распределений в [11–16]. Известно, что учет цензурированных данных ведет к улучшению качества оценивания. В данной работе задача оценивания решается в ситуации наличия полных и цензурированных справа данных. Кроме того, целью работы является аналитическое обоснование улучшения качества оценивания при учете цензурирования, а также практическая проверка разработанного метода на реальных данных.

Методы. Для решения задачи оценивания параметров модели геометрических процессов применяется метод максимального правдоподобия. При этом в функции правдоподобия учитываются цензурированные справа данные. Полученная система уравнений решается численным методом Ньютона–Рафсона.

Выводы. Выведены формулы для получения оценки по методу максимального правдоподобия параметров модели в предположении различных законов распределения наработки до первого отказа. Полученные формулы позволяют получать оценки параметров модели геометрических процессов при наличии в них неопределенности в виде цензурирования справа. Аналитически доказано повышение точности оценок при учете цензурированных справа данных. Определены значения параметров по реальным данным функционирования элемента системы управления защитой реактора БиАЭС. 

11-16 334
Аннотация
В настоящее время в цифровой схемотехнике широко применяются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), в которых настраиваются функции логических элементов и их связи. Это определяется конфигурационным файлом, который загружается в ячейки конфигурационной памяти (это оперативная память статического типа) ПЛИС из внешней памяти. Сама логика реализуется в так называемых LUT (Look Up Table), представляющих собой мультиплексор, реализующий ячейку памяти и построенный на передающих транзисторах, и представляющий собой дерево, которое активируется на конкретном наборе переменных. Настройка представляет собой данные мультиплексора, поэтому на выход дерева передаётся значение логической (переключательной) функции на данном конкретном наборе. Оказывается, соответствующий код настройки LUT можно расшифровать и использовать при анализе результатов синтеза в системе Quartus II фирмы Альтера, которая в настоящий момент приобретена фирмой Интел. Теперь фирма Интел специализируется также и на производстве ПЛИС типа FPGA (Field – Programmable Gate Array). Рассматривается пример синтеза простого конечного комбинационного автомата, реализующего так называемую мажоритарную функцию или функцию голосования по большинству голосов (выбор 2 из 3-х). Эта функция равна единице в случае, если большинство переменных рано единице. Выполняется синтез схемы реализации мажоритарной функции в системе Quartus II, формирующей специальный файл BDF (Block Diagram / Schematic File). Исследуются особенности полученной схемы с помощью средства Map Viewer. На соответствующей схеме указываются коды настройки LUT (Logic Cell Comb) на реализацию заданной функции в виде четырехзначных шестнадцатеричных кодов. Расшифровываются коды настройки логических элементов типа LUT ПЛИС типа FPGA, описывающие содержимое соответствующих таблиц истинности функций, зависящих от входного переменного автомата. Показывается изменение кодов в процессе оптимизации схемы, выполняемой системой Quartus II, с возможным изменением порядка следования переменных и соответствия входам LUT с четырьмя входами, но сама логическая функция не изменяется. При использовании ПЛИС Stratix IIGX, имеющей так называемые адаптивные логические модули АЛМ, у которых 6 входов, Quartus II использует 64 битные коды (восьмизначные шестнадцатеричные коды). Рассматриваются особенности соответствующего кодирования.
17-23 407
Аннотация

Цель. Техническое содержание сети железных дорог России требует больших экономических затрат, связанных с поддержанием надежности объектов инфраструктуры. В условиях ограниченных ресурсов принятие неверного решения может привести к ошибкам в планировании ремонтных работ. Деятельность путевого хозяйства является определяющим фактором для нормального функционирования всей железнодорожной инфраструктуры. Для рационального управления объектами инфраструктуры необходимо получение в реальном времени объективной информации о состоянии их надежности и функциональной безопасности. Одним из основных показателей, характеризующих надежность пути, является коэффициент готовности. При оценке готовности объектов с состояниями частичной работоспособности требуется учесть влияние невыполнения объектом части своих функций либо выполнения функций со снижением качества на значение готовности. При этом классическая формула коэффициента технической готовности учитывает возможность нахождения объекта только в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Такая оценка коэффициента технической готовности не позволяет учесть, например, снижение готовности вследствие введения ограничения скорости движения на участке пути, а также влияние отказа части участка на готовность участка пути в целом. Поэтому данная статья посвящена рассмотрению метода оценки коэффициента технической готовности участка железнодорожного пути с учетом его частично работоспособного состояния, а также рассмотрению подхода к нормированию коэффициента технической готовности участка пути.

Методы. При рассмотрении вопросов оценки коэффициента технической готовности с учетом частично работоспособного состояния применялся системный анализ факторов, влияющих на снижение пропускной способности пути. В качестве таких факторов рассмотрены ограничение скорости движения и закрытие движения при плановом и неплановом техническом содержании. Предложена трехмерная графическая модель зависимости скорости движения от линейной координаты и от времени. На ее основе получены соотношения для оценки коэффициента технической готовности для однопутного и n-путного участков железнодорожных линий. Рассмотрен подход к нормированию отдельных компонентов коэффициента технической готовности. Получены соотношения для расчета нормативного значения коэффициента технической готовности для однопутного и n-путного участков железнодорожных линий.

Выводы. В результате рассмотрения факторов, приводящих к частично работоспособному и неработоспособному состояниям железнодорожного пути предложен метод оценки коэффициента технической готовности участка пути с учетом влияния ограничений скорости движения на пропускную способность и, тем самым, на готовность пути. Рассмотрены аспекты нормирования коэффициента технической готовности. Получены выражения, позволяющие рассчитать фактический коэффициент готовности участка пути с учетом частично работоспособного состояния, а также нормативное значение для данного показателя. Рассмотренные в статье подходы и методы направлены на повышение объективности оценки готовности железнодорожного пути, что позволит принимать более обоснованные решения по его дальнейшей эксплуатации.

24-30 391
Аннотация

Цель. Развитие радиоэлектронной промышленности вызывает быстрый рост функциональности выпускаемых изделий, что в свою очередь приводит к усложнению структуры радиоэлектронных систем (РЭС) при одновременном повышении требований к их надёжности. Используемые модели имеют ряд недостатков, главным из которых является тот факт, что они позволяют получить точную оценку показателей безотказности только в отдельных (частных) случаях. Такая оценка пригодна для подтверждения требований технического задания, но она не предоставляет возможности провести анализ надёжности РЭС после изготовления опытной партии аппаратуры. Поэтому задача определения характеристик надёжности изготовленных образцов РЭС представляется актуальной.

Методы. Рассматривается апостериорный анализ надёжности РЭС, который выполняется после изготовления опытной партии аппаратуры с целью определения её характеристик надёжности. Такие испытания необходимы потому, что на стадии проектирования устройства конструктор не располагает полными априорными сведениями, которые позволили бы заранее определить показатели надёжности с достаточно  высокой достоверностью. Важным источником сбора информации о надёжности является система сбора данных о работе изделий в процессе их эксплуатации. Существуют два основных вида испытаний на надёжность. Один из них – определительные испытания, задачей которых является оценка показателей надёжности. Он характерен для крупносерийных изделий. Другой вид испытаний – контрольные испытания, задачей которых является проверка соответствия техническим условиям показателя надёжности системы. Второму виду испытаний и посвящена данная работа.

Результаты. Необходимо ответить на вопрос, соответствуют ли характеристики надёжности изделия (изготовленной РЭС) заданным требованиям, предусмотренным техническими условиями на изготовление изделия. Для решения этой задачи используется математический аппарат статистической теории гипотез. Рассматриваются две гипотезы: гипотеза H0 – среднее время наработки на отказ t*=T0 задаётся требованиями ТУ (изделие хорошее); гипотеза H1 – среднее время наработки на отказ t*=T1<T0 – альтернатива (изделие плохое). Процедура проверки гипотез имеет тот недостаток, что качество решения определяется после проведения испытаний. Такая процедура решения задачи проверки гипотез не является оптимальной. В работе рассмотрена последовательная процедура проверки гипотез (процедура Вальда), которая предполагает принятие решения после каждого отказа и остановку испытаний, если возможно принятие решения с заданным качеством. Показан алгоритм проверки и дан пример определения соответствия закона распределения полученной выборки показательному или другому закону распределения по критерию χ2.

Выводы. Показано, что при использовании процедуры испытаний [n, Б, r] качество решения будет таким же, как и для процедуры [n, В, r], если при этом обеспечивается такое же время испытаний t. При последовательной процедуре, если заранее не известны число отказов r и длительность испытаний, то используется комбинированный метод (смешанная процедура), когда дополнительно задается предельное число отказов r0 и к правилу решения добавляется условие: если r < r0, то применяется последовательная процедура; если r = r0, то применяется обычная процедура. Показан алгоритм проверки соответствия закону распределения полученной выборки w1(yi) показательному или другому закону распределения по критерию χ2. Работа может представлять интерес для инженеров – разработчиков радиоэлектронных систем.

31-35 331
Аннотация

Цель. Исследование возможностей широкого применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов и теоретическое обоснование использования электрических шумов в этих целях. Для этого рассматриваются фундаментальные электрические шумы и анализируются те их типы, которые принципиально могут быть использованы для неразрушающего контроля.

Методы. Теоретически исследованы флуктуационные процессы, лежащие в основе нескольких типов электрических шумов, и деградационные процессы в электронных приборах. Проанализирована связь спектральных свойств флуктуаций с характеристиками деградационных процессов в электронных приборах. На основании этого сделаны выводы о возможностях применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов. Рассмотрены электрические флуктуационные явления, вызванные захватом и эмиссией носителей заряда ловушками, образованными дефектами структуры твердых тел. Процессы захвата и эмиссии носителей ловушками являются основополагающей причиной следующих фундаментальных типов электрических шумов: избыточного, генерационно-рекомбинационного и взрывного. При этом имеются существенные различия по параметрам и статистическим свойствам флуктуационных процессов для разных типов шумов. В связи с этим анализировались электрические флуктуации, вызванные ловушками, с целью дать достаточно общее описание таких флуктуационных явлений. В результате дано строгое описание электрических флуктуаций, вызванных ловушками. Вычислено выражение общего вида для спектра флуктуаций. От него можно перейти в частных случаях к спектрам избыточного, геннерационно-рекомбинационного и взрывного шумов. Результаты изучения электрических флуктуаций, вызванных ловушками, могут быть применены для определения спектральных свойств флуктуаций твердых материалов и электронных устройств на их осно- ве. Проведен строгий количественный анализ деградационных процессов, протекающих в электронных приборах на основе твердых материалов, в целях связать спектральные характеристики шумов, вызванных захватом и эмиссией носителей дефектами структуры, со степенью дефектности материалов для развития возможностей использования шумов для оценки качества и надежности электронных приборов. Установлено: спектральная плотность шума связана со степенью и со скоростью деградации структуры. Таким образом, шумы в электронных приборах содержат информацию о степени и скорости деградации. Сделаны следующие практические выводы. Спектральная плотность шума связана с числом дефектов в приборе в начальный момент и связана со скоростью образования дефектов и, следовательно, со скоростью старения электронного прибора. Таким образом, шум содержит информацию о качестве изготовленного прибора и о скорости изменения эксплуатационных характеристик прибора. Следовательно, по спектру шума можно оценить недостатки качества электронного прибора, как возникающие в процессе изготовления, так и проявляющиеся в процессе эксплуатации.

Выводы. В итоге работы обоснованы возможности широкого применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов, показана возможность использования фундаментальных типов электрических шумов для этих целей. Строгое обоснование применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов, возможность оценки недостатков качества приборов, вызванных различными причинами, использование широко распространенных и часто преобладающих типов шумов, высокая чувствительность флуктуационной спектроскопии указывают на эффективность применения электрических шумов для неразрушающего контроля электронных приборов. 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

36-40 298
Аннотация

Цель. Статья посвящена решению задачи оценки функциональной надежности программного обеспечения (ПО) блока индикации, входящего в состав безопасного локомотивного объединенного комплекса БЛОК, связанной с ошибками программы при заданном времени работы системы 24 часа. Одной из центральных задач является расчет значений таких атрибутов функциональной надежности ПО, как безошибочность, правильность, защищенность, контролируемость, безотказность, устойчивость ПО к ошибкам и готовность, которые являются ключевыми показателями для оценки работоспособности устройств безопасности. При этом ставится задача оценки целесообразности проведения проверки программного обеспечения блока индикации перед каждой поездкой с помощью предрейсового тестирования.

Методика. В исходных условиях задачи отсутствуют статистические данные о реализациях программы в процессе ее сопровождения. Также отсутствуют сведения о структурных характеристиках программы (количестве операторов, операндов, циклов и др.), что не позволяет использовать статические модели надежности типа модели Холстеда или модели IBM и им подобные. Поэтому в качестве аппарата определения исходных данных для решения задачи выбрана модель Шумана. Методика оценки функциональной надежности блока индикации основывается на результатах работы [1].

Результаты. На первом этапе решения задачи были определены значения следующих исходных данных: первоначальное количество дефектов в программе, интенсивность ошибок программы и вероятность правильного однократного выполнения программы. С использованием найденных значений на следующем этапе получены значения таких параметров надежности, как вероятность отсутствия ошибки в результате выполнения программы в течение заданного времени, вероятность отсутствия отказов в работе блока индикации при выполнении программы в течение заданного времени и среднее время до ошибки программы. Рассчитав вероятность Рпо(t) отсутствия ошибки в результате выполнения программы в течение заданного времени, оценили такие атрибуты функциональной надежности ПО, как безошибочность, правильность, защищенность и контролируемость. Рассчитав вероятность отсутствия отказов в работе блока индикации РБ(t) при выполнении программы в течение заданного времени, дали оценку таким атрибутам, как безотказность и устойчивость ПО к ошибкам, а рассчитав среднее время до ошибки программы Тср.по и зная среднее время простоя, вызванного необходимостью устранения ошибки программы τпп, определили атрибут готовности блока индикации в произвольный момент времени безошибочно выполнять определенный информационный процесс кфг. Полученные значения коэффициента частичной функциональной готовности блока индикации показали, что проведение проверки блока индикации перед каждой поездкой и, в случае обнаружения ошибок, оперативное их устранение позволит существенно повысить пользовательские характеристики блока индикации локомотивного (БИЛ) в рамках своевременного информирования машиниста об актуальной поездной обстановке с целью своевременного принятия им решения по управлению движением поезда. 

41-47 296
Аннотация
Целью статьи является разработка модели, позволяющей получить количественную оценку функциональной отказоустойчивости процессов обеспечения потребителей навигационными сигналами в сложных условиях их приема с использованием навигационной аппаратуры потребителя (НАП). В материалах статьи представлено обоснование актуальности и важности оценки функциональной отказоустойчивости навигационной аппаратуры потребителя в тех случаях, когда на прием этих сигналов влияют промышленные помехи, псевдоспутники, переотражения от городской застройки и объектов рельефа местности. Под функциональной отказоустойчивостью процессов обеспечения потребителей навигационными сигналами (средств НАП) в сложных условиях понимается их свойство выполнять функции и сохранять предусмотренные значения параметров в условиях информационно-технических воздействий на заданном интервале времени. В качестве сложных условий процессов обеспечения потребителей навигационными данными (сигналами) рассматривается совокупность нежелательных событий и состояний приема и обработки навигационных данных с возможными искажениями. В статье разработан типовой паспорт уязвимостей навигационного сигнала (на примере искажения значений псевдодальности и псевдоскорости), который определяет исходные данные для анализа отказоустойчивости оборудования НАП. Модель основана на следующих подходах: параметрами навигационных сигналов являются псевдодальность и псевдоскорость, данные альманаха системы и эфемеридная информация; количественная оценка функциональной отказоустойчивости процессов обеспечения потребителей навигационными сигналами осуществляется вероятностью безотказной работы НАП в сложных условиях; функциональная отказоустойчивость указанных процессов обеспечивается комплексным использованием функциональной, аппаратной, программно-алгоритмической и временной избыточности; структура аппаратно-программных средств обеспечения отказоустойчивости НАП рассматривается в виде трехэлементной системы с нагруженным и ненагруженным резервом; допустимый уровень риска нарушения функциональной отказоустойчивости определяется по принципу ALARP. Показано, что обеспечение отказоустойчивости и помехозащищенности НАП основано на следующем: применении мультисистемных навигационных приемников; контроле целостности навигационных сигналов; пространственной и частотно-временной селекции сигналов; предкорреляционной обработке смеси сигналов и радиопомех; посткорреляционной обработке сигнала; обработке радиочастотных параметров и информационных параметров сигнала; криптографической аутентификации; комплексировании с внешними источниками навигационной информации и в едином приёмно-вычислительном комплексе нескольких методов противодействия радиопомехам и навигационным сигналам псевдоспутников. Предложенная модель определяет функциональную отказоустойчивость НАП в виде двух вариантов динамических моделей надежности, в которых показатели вероятности безотказной работы зависят от времени: система с нагруженным резервом из трех дополнительных модулей противодействия и система с ненагруженным резервом с переключателем на три дополнительных модуля противодействия. Разработанная модель позволяет наглядно представить процессы обеспечения потребителей навигационными сигналами в сложных условиях, количественно оценить вероятность безотказной работы для вариантов систем с нагруженным и ненагруженным резервом с тремя модулями противодействия информационно-техническим воздействиям, вероятность восстановления и коэффициент готовности НАП, а также допустимый риск нарушения функциональной отказоустойчивости НАП.
96
Аннотация

В статье рассмотрено поведение восстанавливаемых объектов, которые являются сложными системами, и формируют неоднородный во времени поток отказов. Для описания надежности объектов использована модель геометрических процессов. Математическая модель этих процессов позволяет учитывать как старение так и омоложение системы. В первом случае интенсивность потока отказов усиливается с течением времени. Во втором случае отказы со временем становятся реже. Выведены формулы для получения оценки по методу максимального правдоподобия параметров модели в предположении различных законов распределения наработки до первого отказа. Полученные формулы позволяют получать оценки параметров модели геометрических процессов при наличии в них неопределенности в виде цензурирования справа. Такого рода цензурирование может происходить, как минимум, по двум причинам. В первом случае неотказавший элемент заменяется на новый по определенным обстоятельствам, в другом– наблюдаемый элемент на момент проведения статистического анализа функционирует, т.е. его работа пока не завершилась отказом.   Аналитически доказано повышение точности оценок при учете цензурированных справа данных. Определены значения параметров по реальным данным функционирования  элемента системы управления защитой реактора БиАЭС.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

48-55 369
Аннотация

Цель. Пожарная безопасность объекта защиты – состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью предотвращения возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара [1]. Одним из важнейших объектов защиты на железнодорожном транспорте является тяговый подвижной состав (ТПС). Управление пожарной безопасностью ТПС связано с наличием большого объема информации о различных видах ТПС: возможных пожароопасных состояниях, системах противопожарной защиты, параметров, реализуемых на ТПС процессах. Это значит, что в основе эффективного управления должен лежать анализ, позволяющий выявить тенденции и факторы развития пожароопасных ситуаций. Анализ должен быть построен таким образом, чтобы его результаты могли быть использованы для оценки комплексных показателей безопасности [2]. Кроме того, несомненным является прикладной характер такого анализа. В виду этого факта важно отметить, что непосредственная задача прикладных исследований – применение результатов фундаментальных исследований для решения не только познавательных, но и социально-практических проблем [3]. Цель статьи – структурирование наиболее эффективных прикладных и теоретических методов анализа и разработка структуры системного анализа пожарной безопасности ТПС.

Методы. Множество факторов, влияющих на состояние ТПС можно разделить на две группы: качественные и количественные. При этом важным фактором является то, что невозможно изучить влияние всех элементов сложной технической системы, которую представляет из себя ТПС, на пожарную безопасность. Приходится знакомиться с частью совокупности, т.е. с выборкой, а затем с помощью вероятностно-статистических методов переносить выводы, сделанные при рассмотрении выборки, на совокупность в целом [4]. При анализе массива данных необходимо правильно определить выборку. Важнейшим критерием на этом этапе является качество информации. Перечень исходных данных определялся, исходя из полноты имеющего описания, достоверности источников. Далее были реализованы в определенной последовательности анализы данных качественными и полуколичественных методами. Первым, в условиях отсутствия возможности исследовать явные связи (из-за уничтожения опасными факторами пожара) между состояниями узлов, предшествующими пожару, был использован анализ Парето; исследования проводились с применением анализа корневых причин (диаграмма Исикавы). В дальнейшем использовался кластерный анализ пожароопасных состояний. Основная цель кластерного анализа – установление типовых последовательностей событий, приводящих к появлению пожара на ТПС. Для достижения этой цели необходимо описание возможных пожароопасных состояний тягового подвижного состав, т.е. необходимо описание множества событий и состояний. Для анализа надежности успешно используются представление информации о состояниях безопасности в образах теории множества [5]. Множества опасных пожароопасных событий ТПС представлены в виде частично-упорядоченных множеств. Обработка таких множеств, являющихся объектами нечисловой природы, не может осуществляться статистическими процедурами, основанными на операциях сложения параметрических данных. Поэтому использовался математический инструментарий, основанный на понятии типа расстояния. Часть данных, имеющих количественные характеристики, анализировалась статистическими методами.

Результаты. Реализованные в представленной статье методы анализа данных о пожарной безопасности ТПС, включающие в себя методы обработки данных числовой и нечисловой природы, позволили сформировать форматизированный перечень факторов пожарной опасности, являющихся основой для построения практически применимой методики расчета пожарных рисков ТПС. Предложен алгоритм применения качественных и количественных методов анализа данных различной числовой природы, приведен пример применения алгоритма для анализа пожарной безопасности тепловозов. Предложенный метод может быть использован для анализа техногенной безопасности в части формирования перечня факторов, важных для оценки рисков.

СООБЩЕНИЯ



ISSN 1729-2646 (Print)
ISSN 2500-3909 (Online)