Preview

Надежность

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
Том 18, № 1 (2018)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)
https://doi.org/10.21683/1729-2646-2018-18-1

СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

4-13 339
Аннотация

Цель. Анализ дерева отказов (АДО) - это один из основных методов анализа надежности сложных технических систем. Для его проведения часто применяются коммерческие программные средства, такие как Saphire, Risk Spectrum, Арбитр и т.д. Каждый из них обладает как определенными преимуществами, так и отдельными недостатками. Необходимо отметить, что основная цель вышеуказанных программных средств состоит в проведении качественного анализа дерева отказов. При этом, в качестве дополнительных возможностей программного комплекса предлагается ряд статистических методов,  позволяющих, в частности,  проводить анализ неопределенностей, получать интервальные оценки показателей, выполнять прочие статистические исследования. Набор таких процедур невелик и жестко регламентирован некоторым множеством предлагаемых распределений и функций. В данной работе рассмотрим возможность решения задачи анализа дерева отказов с помощью средств языка программирования R. Язык программирования R, в первую очередь, создавался и продолжает совершенствоваться как средство статистической обработки данных. АДО в этой среде всего лишь один из 10 с лишним тысяч пакетов. Т.е., если проводить сравнение с коммерческими пакетами, направленность которых состоит в АДО, R ставит перед собой гораздо более масштабные цели и обладает возможностями проведения существенно более качественного анализа. При этом несомненное преимущество R это свободно распространяемая среда с открытым программным кодом. Цель данной статьи состоит в представлении небольшого числа основных процедур пакета FaultTree языка R, позволяющих проводить АДО: построение дерева отказов и его графический вывод, расчет вероятностей по узлам и нахождение минимальных сечений.

Методы. Для выполнения расчетов и демонстрации возможностей АДО применялись скрипты пакета FaultTree языка программирования R.

Выводы. В статье подробно разобраны три примера. Вначале рассчитывается дерево по известным вероятностям, затем определяется функция распределения наработки до отказа технической системы. В последнем примере выполняется АДО для систем с элементами, которые описываются различными моделями функционирования и обслуживания. В заключительной части статьи предполагается описание возможностей АДО в среде R позволяющих учитывать, к примеру, отказы по общей причине.

14-19 163
Аннотация

Цель. В практике расчета и анализа надежности встречаются технические системы, модель надежности которых трудно или вовсе невозможно адекватно описать набором последовательных и параллельных связей и соответствующим математическим аппаратом умножения вероятностей. В статье исследуется способ моделирования надежности высокоинтегрированных систем с помощьюанализа положения центра тяжести функции плотности распределения времени безотказной работыf(t). Настоящая работа является продолжением большого исследования, посвященного анализу свойств центра тяжести функции плотности распределениявысокоинтегрированных технических систем. В первой части было выяснено, что центр тяжести позволяет оценить уровень взаимовлияния между подсистемами мехатронной системы и определить их влияние на общий уровень надежности изделия в целом, где основным критерием являлась близость частного центра тяжести функции плотности каждой подсистемы к общему осредненному центру тяжести всей системы. В настоящей работе предполагается, что средний центр тяжести для композиции функций плотности составных частей изделия не зависит от способа их соединения в модели надежности и, тем самым, может быть использован как условный показатель безотказности для систем с нечеткими структурно-функциональными связями.

Методы. Исследование базируется на работе с графиками функций плотности распределения времени безотказной работы для условных компонентов сложной технической системы, таких как электроника, механика и программное обеспечение. Различная физическая природа частей системы отражена через вариацию параметров закона распределения Вейбулла-Гнеденко. Для простоты расчета и представления результатов анализ проводится не комплексно для 3-х компонентов, а попарно. Для каждой пары подсистем выполняется расчет и построение функций плотности как для отдельного компонента, так и в случае их последовательного и параллельного соединения. Затем для каждого расчетного случая строится центр тяжести соответствующих функций плотности с последующим построением и сравнением осредненных графиков.

Результаты. Основное наблюдение по результатам анализа графиков – средний центр тяжести, полученный из двух частных центров тяжести функций плотности распределения единичных систем (Механика, Электроника, ПО), имеет высокую корреляцию (более 0,99) и почти совпадает со средним центром тяжести, полученным из двух частных центров тяжести последовательного и параллельного соединения соответствующих пар систем каждого расчетного случая.

Выводы. Результаты исследования являются очередным аргументом в пользу того, что средний центр тяжести для композиции функций плотности распределения различных систем является эквивалентом их суперпозиции и может использоваться как условный осредненный (или нечеткий) измеритель общего уровня надежности высокоинтегрированных сложных технических систем, структурно–функциональную модель надежностикоторых затруднительно представить набором последовательных и параллельных связей и соответствующим математическим аппаратом умножения вероятностей. 

20-25 178
Аннотация

Показана важность проблем учета особенностей средств, обеспечивающих резервирование функциональных блоков, при надежностном проектировании систем. С ростом числа типов и количества задействованных элементов процесс вычислений надежности усложняется и занимает все большее время. Поэтому для упрощения расчетов принимаются допущения, например, в системах с резервированием используются однотипные элементы. Однако такой подход не позволяет оценить надежность системы, где применены принципиально различные элементы. В работе рассмотрены системы, включающие любое число принципиально различных элементов с ненагруженным типом резервирования. В качестве одного из путей решения названной проблемы выведен и математически обоснован метод, позволяющий в матричном виде представлять аналитическое выражение для вычисления вероятности её безотказной работы. Показано, что в этом случае возможна оценка надежности численными методами с применением приближенных вычислений на ЭВМ при интегрировании и дифференцировании. Приближенность результата таких вычислений предложено определять как точностью самой ЭВМ, так и сложностью исследуемой системы. При надежностном проектировании, когда процесс перерасчета производится многократно, этот недостаток является критичным. Целью сокращения времени расчета надежности исследуемой системы, а также повышения точности получаемых результатов в работе предлагается метод представления аналитического решения для вычисления ВБР. В результате появляется возможность упрощения механизма расчета систем с ненагруженным типом резервирования, а также повышения точности оценки их надежности. Поэтому для вычисления ВБР системы с произвольным количеством элементов в общем виде численными методами предлагается произвести число последовательных вычислений интегралов от произведения функции и производных на единицу меньше числа элементов системы. Учитывая особенности машинных вычислений и рекурсию алгоритма, вычисления ВБР системы уже из 5-ти и более элементов может занимать существенное время, кроме того, неизбежно накопление ошибки вычисления. Практические особенности решения задач обеспечения устойчивости работы космических аппаратов к внешним воздействиям характеризуются большой важностью фактора обеспечения скорости принятия решений по формированию сигнала управления, направленного на обеспечение гомеостаза характеристик работы бортовых систем. В работе математически обосновано введение метода представления аналитического выражения для вычисления ВБР системы из любого числа элементов, находящихся в ненагруженном резерве. Подобное представление может быть использовано для отображения данных в памяти ЭВМ. При известных коэффициентах матрицы это представление позволит избежать интегрирования и дифференцирования при вычислении ВБР, что значительно ускоряет вычисления и повышает точность результатов. 

26-31 231
Аннотация

Целью работы является изучение закономерностей развития процесса прогрессирующего повреждения сетевых структур трубопроводных систем и разработка рекомендаций по обеспечению стойкости таких инженерных объектов. Под процессом прогрессирующего повреждения понимается процедура перехода линейных элементов (трубопроводов) системы в состояние неработоспособности, осуществляемая в случайной последовательности. Оценка способности системы противостоять развитию процесса прогрессирующего повреждения выполнялась при помощи показателя стойкости Fw, представляющего собой среднюю долю трубопроводов, переход которых в состояние неработоспособности приводит к отключению от источника всех потребителей продукта.

Методы исследования. Определение значений 0 < Fw < 1 выполнялось с использованием метода имитационного компьютерного моделирования. При выполнении структурного анализа систем множество всех линейных элементов рассматривалось как состоящее из 5-ти подмножеств G1, …, G5 соединяющих точечные элементы различных типов.

Результаты. Установлено, что элементы, принадлежащие различным подмножествам, оказывают разное влияние на стойкость системы к прогрессирующим повреждениям. Наибольшее влияние оказывают элементы подмножеств G1 и G2. Эти элементы формируют «ядро» сетевого объекта. Наименьшее влияние на стойкость к повреждениям оказывают элементы принадлежащие подмножествам G4 и G5. Их можно рассматривать как «дальнюю периферию» сетевой структуры. Дальняя периферия взаимодействует с ядром при помощи элементов, принадлежащих подмножеству G3. Это «ближняя периферия», обеспечивающая связь ядра с дальней периферией. Влияние элементов подмножества G3 на стойкость к повреждениям оказывается слабее, чем элементов, принадлежащих ядру, однако сильнее, чем элементов, принадлежащих дальней периферии. Таким образом, строение трубопроводной системы можно представить в виде некоторого многослойного объекта. В составе ядра находятся линейные элементы, связывающие между собой потребителей продукта и источник. При этом чем больше связей будет в ядре, тем выше будет и стойкость сетевой структуры.

Выводы. Установлено, что стойкость сетевых структур трубопроводных систем к развитию процесса прогрессирующего повреждения зависит от их состава, а множество всех трубопроводов можно разделить на 5 подмножеств, элементы которых в различной степени влияют на стойкость всей системы. Сетевая структура трубопроводной системы может быть представлена в виде многослойного объекта с ядром, ближней и дальней периферией. Установлено, что стойкость к повреждениям в значительной мере зависит от количественного состава и характера взаимодействия элементов отдельных слоев. Сетевые структуры типа «дерево» характеризуются низким уровнем стойкости к прогрессирующим повреждениям. Повысить показатель стойкости таких объектов можно путем формирования ядра и введения в состав системы дополнительных линейных элементов. 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

32-37 166
Аннотация

Актуальность проблемы. Проектирование деятельности представителей интенсивных (экстремальных) профессий вызывается необходимостью выхода в пространство новых и ранее неизвестных техносферных областей жизнедеятельности. В истории авиации вопросы критической важности и вычисления необходимых и достаточных свойств пилота и летного экипажа являются предметом непрекращающихся поисков и исследований в целях нормативного регулирования в эксплуатации воздушного транспорта. До настоящего времени остаются неопределенными предметные знания, теория и методы, которые могли бы учитывать различия свойств для стандартизации в управлении летной эксплуатацией. Данные проблемы неопределенности предметных знаний и дефицит методов вычисления характеристик пилотов и экипажей воздушных судов гражданской авиации рассматриваются как чрезвычайно острые, не решенные в эксплуатации воздушного транспорта гражданской авиации. Таким образом, свод проблем, необходимость поиска и создания новых знаний состоит в ограничении доступных теорий и методов формализации, вычисления свойств и управления надежностью человека. Актуальность темы отражена в фундаментальных исследованиях и прикладных разработках многочисленных трудов отечественных и зарубежных ученых. В настоящей работе представлены основные определения надежности представителей интенсивных профессий на примере пилота гражданской авиации. Постановка задачи надежности пилота. Универсальным основанием деления объема понятия надежности человека-оператора (пилота) является шкала времени. Основное свойство деятельности человека называет категория назначения. Назначения можно оценивать в структурированном родовидовом делении понятии надежности. Техническое содержание категории назначения структурируется при установлении задаваемого номинального описания объектов: пилота (П), транспортного средства или воздушного судна (ВС) и избранной среды деятельности (С). В работе выполнена формализация постановки задачи надежности деятельности человека. Аксиоматика свойств ресурсов пилота. Разнообразная природа свойств человека составляет фундаментальную проблему их описания и нормирования для выработки стандартов деятельности. Свойства обладают сходством и взаимоподобием, различием и независимостью. В настоящей работе формулируется аксиомы как исходные положения разрабатываемой теории ресурсов человека. Положения постулируются аксиомами равнозначности, независимости и полноты свойств, параметров и показателей ресурсов пилота. Практическое значение аксиоматики свойств ресурсов пилота состоит в том, что их формализованное описание дает возможность получить алгоритмы для автоматизированных и экспертных технологий управления летной эксплуатацией. Далее представлены формализации определений надежности. Заключение. Теоретические определения эффективности управления и гарантированной эффективности управления устанавливают понятия различимости пространства благоприятных исходов деятельности. Аксиоматика свойств пилота позволяет преодолеть фундаментальную сложность формализованного описания разнообразной природы свойств человека и создает условия для достоверного учета и вычислений состояний для целей управления летной эксплуатацией. Формулируются определения назначения пилота, надежности пилота и определения надежности трех различимых видов – индивидуальной, профессиональной, операционной на основании фундаментальной базы наблюдения во времени.

38-45 241
Аннотация

Цель. В данной работе исследован один из возможных путей повышения надежности профессионального психологического отбора диспетчеров управления воздушным движением с использованием диагностических методик, базирующихся не на субъективных, а на объективных принципах.

Методы. В исследовании были использованы: стационарный EyeTrackerTobii REX и специальный компьютерный продукт, созданный во Всероссийском научно-исследовательском институте радиоаппаратуры и предназначенный для анализа различных аспектов перемещения взгляда в процессе выполнения заданного упражнения, а также целый ряд психодиагностических методик: тест для определения уровня субъективного контроля, опросник А. Басса – А. Дарки для определения склонности к различным формам агрессивного поведения, соционический тест «ММ-1», тест Г. Ю. Айзенка для оценки уровня интеллекта, тест Г. Ю. АйзенкаEPI для определения темперамента, тест «ММЯ-1» для определения общего стиля поведения, опросник К. Томаса для определения стиля поведения в конфликте и опросник «Прогноз» для оценки нервно-психической устойчивости участников эксперимента. Для статистической обработки результатов исследования были использованы коэффициент корреляции Браве-Пирсона и критерий χ2 -Пирсона.

Результаты. В эксперименте приняло участие 48 студентов третьего курса специализации «Использование воздушного пространства» Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации (СПбГУ ГА). По своим психологическим характеристикам группа достаточно типична для представителей данной специализации СПбГУ ГА. Результаты психодиагностики коррелируют с результатами данного эксперимента достаточно слабо, а между собою, в целом, в соответствии с теоретическими предположениями. Чем ниже нейротизм, характеризующий уравновешенность нервной системы, тем лучше нервно-психическая устойчивость. Чем лучше нервно-психическая устойчивость, тем выше интернальность любого вида, особенно же общая интернальность и интернальность в области неудач. Также люди с хорошей нервно-психической устойчивостью менее склонны к агрессивному поведению, как в целом по всем её видам, так и, в особенности, к аутоагрессии. Участники с высоким уровнем общей интернальности ожидаемо оказались категорически не склонны к такому типу поведения в конфликте, как «избегание», которое является квинтэссенцией безответственности. Также люди с высоким уровнем интернальности оказались не склонны и к агрессивному поведению. По результатам эксперимента выявлены достаточно противоречивые закономерности в перемещениях взгляда у испытуемых.

Выводы. Все полученные результаты представляют определённый интерес. Поэтому, невзирая на некоторую их противоречивость, представляется целесообразным продолжать исследования с использованием прибора EyeTrackerTobii REX. Выявленные слабые стороны в организации эксперимента, позволили скорректировать план дальнейших исследований, базирующихся на использовании аппаратуры EyeTrackerTobii REX и направленных на повышение надёжности профессионального психологического отбора. 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

46-52 193
Аннотация

Цель. Технические системы становятся все более сложными. Все большее число технических систем содержит электронное оборудование и программное обеспечение, и, таким образом, уровень их функциональной безопасности имеет большее значение. Уровень полноты безопасности задается дискретным номером, который характеризует набор мер против случайных и систематических отказов в зависимости от заданных требований по уменьшению риска. Концепция уровней полноты безопасности (УПБ) была разработана в рамках различных систем стандартов. При обсуждении архитектуры безопасности системы возникает основной вопрос: как при компонентах или подсистемах с низким УПБ формируются системы с более высоким УПБ? Ответ на этот вопрос позволит использовать уже существующие и сертифицированные компоненты для создания системы с заданным уровнем безопасности, возможно, также с более высоким УПБ, чем УПБ составных компонентов.

Методы. Анализируются и сравниваются существующие правила комбинирования систем с уровнями безопасности, приведенные в различных стандартах функциональной безопасности, таких как EN 50126/8/9, ISO 26262, IEC 61508, DEF-STAN-00-56, SIRF и Желтая Книга (Yellow Book). Помимо допустимых интенсивностей отказов, требования к конструкции системы должны рассматриваться таким образом, что подсистемы с низкими УПБ комбинируются для построения системы с более высоким уровнем УПБ. Самый обширный набор методов определен для достижения УПБ 4. Однако этот набор методов не может быть переработан для всех возможных систем в форму простого правила для комбинации подсистем с более низким УПБ для формирования систем с более высоким УПБ. В общем случае комбинирование подсистем в серийную структуру приведет к системе, имеющей уровень полноты безопасности являющейся минимумом уровней подсистем. Ориентировочно можно исходить из того, что, комбинируя две подсистемы с тем же уровнем полноты безопасности, можно создать систему с уровнем полноты безопасности на одну степень выше уровня подсистем.

Результаты. Показано, что общее правило для распределения УПБ, как установлено в стандарте DEF-STAN 00-56, в Желтой книге или в стандарте SIRF, не может рекомендоваться для всех стран и во всех ситуациях. Должны быть приняты во внимание интенсивности отказов и/или интервалы наблюдения. Обосновано, что общие правила могут быть даны только для подсистем, подключенных параллельно, и для некоторых комбинаций УПБ (см., например, Желтая книга, SIRF). В каждом случае общие отказы должны учитываться. Общее правило может быть следующим: для достижения УПБ системы на один уровень выше исходного уровня должны соединяться параллельно две составные подсистемы, имеющие УПБ на одну степень ниже. Другие архитектуры системы должны быть подробно изучены.
53-60 216
Аннотация

Цель. Одним из наиболее опасных видов транспортных происшествий являются сходы железнодорожного подвижного состава, которые в зависимости от тяжести последствий могут также классифицироваться как аварии и крушения. Последствия схода могут быть весьма различны: от незначительного повреждения верхнего строения железнодорожного пути и повреждения вагонов в объеме текущего отцепочного ремонта до повреждения пути, требующего усиленного капитального ремонта, и повреждения вагонов до исключения из инвентаря, а также утраты груза и прерывания железнодорожного движения на длительный период времени. Необходимо отметить, что помимо ущерба от повреждения инфраструктуры и подвижного состава, при сходе вагонов существует риск создания экологической катастрофы. Российская Федерация наряду с США, Китаем и Индией обладает наиболее протяженной железнодорожной сетью в мире, которая проложена, в том числе, вдоль особо охраняемых природных территорий, например, национальных заповедников и парков. Поэтому, если поезд перевозил опасные грузы, например, бензин или токсичные газы, и часть его вагонов сошла с рельсов, то к последствиям схода добавится ущерб от экологической катастрофы. В этой связи актуальной задачей представляется оценка функциональной зависимости между потенциальным числом вагонов в сходе и различными факторами, например, скоростью движения поезда, его весом, для последующей выработки рекомендаций по снижению потенциального числа вагонов в сходе, а, следовательно, и по снижению возможного ущерба.

Методы. Использованы методы теории вероятностей и математической статистики: метод максимального правдоподобия, отрицательная биномиальная регрессия.

Результаты. Для различных групп происшествий: сход вследствие неисправности вагона или секций локомотива вне стрелки; сход вследствие неисправности рельсов вне стрелки; сход на стрелке, не вызванный ранее сошедшим составом – определены специфические функции среднего количества вагонов в сходе. Получена формула, которая позволяет при заданном наборе различных факторов движения: скорости поезда, плана и профиля пути, длины, веса поезда – определить ряд распределения количества вагонов в сходе.

Выводы. В результате предварительного анализа имеющихся российских протоколов по сходам с рельсов подвижного состава в грузовых поездах было выявлено, что для различных групп транспортных происшествий описательные статистики соответствующих выборок значительно отличаются, что соответствует данным аналогичных американских протоколов. В результате построения функциональной зависимости между средним количеством вагонов в сходе и различными факторами по причине неисправности вагонов или секций локомотива вне стрелок было выявлено, что имеющихся протоколов недостаточно для прогнозирования количества вагонов в сходе в прямых участках пути. Для сходов по причине неисправности пути вне стрелок и сходов на стрелках построены математические модели с небольшим параметром сверхдисперсии. 



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