Preview

Надежность

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
Том 19, № 2 (2019)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)
https://doi.org/10.21683/1729-2646-2019-19-2

СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

3-8 86
Аннотация

В статье рассматриваются вопросы экслуатационной надежности космических систем (КС), эффективности сложных многоцепочных систем, использования резервирования при конструировании космических аппаратов (КА). Представлены методики прогнозирования надежности создаваемых устройств, проектирование устройств с заданной надежностью и сравнение надежности различных КС. С этой целью излагаются фундаментальные вопросы из теории надежности для проектирования КС, методы сбора и обработки данных о надежности аппаратуры по результатам эксплуатации и специальных испытаний на надежность. Разработаны методы, математические модели и проведен анализ структуры аппаратуры на этапе проектирования и при изготовлении. Приведены расчетные соотношения при различных видах резервирования в испытаниях, продления сроков эксплуатации блоков КА, основа которых – методология оценки остаточного ресурса. Систематизированы и изучены существующие методы анализа надежности. Изложены проблемы неопределенности информации по входным данным при расчетах классическими методами. Изучено влияние отклонения внешних воздействий от номинальных значений, непостоянность интенсивности отказов, нелинейный характер влияния внешних факторов на надежность. Исследован характер влияния внешних факторов на надежность и степень учета факторов в существующих методах. Отмечено, что качественные, организационно-технические (конструктивные и программные) требования по надежности, задаваемые в ТЗ для каждой стадии создания элементов КС в целом, должны выполняться и подтверждаться на соответствующей стадии работ. Представлены методики оценки ресурса технических объектов, среди которых важное место занимают методики, основанные на физических предпосылках расходования ресурса. Отмечена важность экономического аспекта исследования проблемы продления сроков эксплуатации КС.

9-17 63
Аннотация

Цель. Отказы по общим причинам (ООП) представляют собой зависимые отказы группы из нескольких элементов, происходящие одновременно или в течение короткого промежутка времени (т.е. почти одновременно), вследствие действия одной общей причины (например, резкое изменение климатических условий эксплуатации, затопление помещения эксплуатации и пр.). Зависимый отказ – это множественный отказ нескольких элементов системы, вероятность которого не может быть выражена просто как произведение вероятностей безусловных отказов отдельных элементов. Для расчета вероятностей ООП существуют несколько различных общепринятых моделей: модель греческих букв, альфа-, бета-фактора и различные их вариации. Наиболее простой с точки зрения моделирования зависимых отказов и проведения дальнейших расчетов надежности является модель бета-фактора. Остальные модели при моделировании подразумевают комбинаторный перебор зависимых событий в группе из n событий, который при большом числе n становится трудозатратным. В статье для выбранных структурных схем надежности подробно разобрана методика расчета вероятности отказа системы с учетом ООП для модели бета-фактора.

Цель данной статьи состоит в подробном анализе методики бета-фактора для трех структурных схем надежности, в исследовании влияния параметров модели на конечный результат, в нахождении ограничений применимости модели бета-фактора.

Методы. Для выполнения расчетов применялись численные методы решения уравнений, аналитические методы исследования функций.

Выводы. В статье подробно разобрана методика расчета ненадежности с учетом ООП по модели бета-фактора для трех структурных схем. В первом примере для выбранной структурной схемы из n параллельных элементов с одинаковой надежностью аналитически показано, что учет ООП не обязательно приводит к увеличению ненадежности. Во втором примере с основным соединением из n элементов с одинаковой надежностью показано, что учет ООП в зависимости от значения параметров приводит как к увеличению, так и к уменьшению ненадежности. Обнаружено существование множества значений параметров модели бета-фактора, приводящих к недопустимым значениям вероятности отказа системы. Эти множества значений соответствуют относительно большим значениям параметров модели и, с практической точки зрения, в расчетах реальных систем с высоконадежными составляющими вряд ли достижимы. В третьем примере исследуется классическая схема-мостик с двумя группами ООП. Показано сложное неоднозначное влияние параметров модели бета-фактора на вероятность отказа. Как и во втором примере, обнаружены ограничение на применимость модели бета-фактора.

18-21 53
Аннотация

В современном производстве высоконадежных, уникальных, сложных изделий стала обычной ситуация, в которой необходимо получить оценку гамма-процентного срока сохраняемости (ГПСС) или гамма-процентной наработки до отказа (ГПНДО) (далее – ГПС, понимая под этим соответственно ГПСС или ГПНДО) на основе испытаний, не давших отказов. Как правило, план испытаний относят к биномиальным испытаниям или к испытаниям с ограниченной наработкой и восстановлением. Под ГПНДО понимается наработка, в течение которой отказ не возникнет с вероятностью γ, выраженной в процентах. Аналогично, под ГПСС понимается календарная продолжительность хранения изделия, в течение и после которой изделие способно выполнять требуемую функцию с вероятностью γ, выраженной в процентах.

Цель работы. Целью работы является нахождение такой оценки ГПС, которая будет простой и более эффективной по сравнению с традиционной и уступающей незначительно эффективной оценке, в случае существования последней, с точки зрения близости к расчетной оценке ГПС при использовании биномиального плана испытаний.

Методы исследования. В основе исследования эффективных оценок лежит интегральный подход, использующий построение правила выбора (критерий) эффективной оценки, заданного на сумме значений абсолютных смещений оценок, выбранных из некоторого множества, от функции параметра закона распределения.

Выводы. Полученная оценка ГПС является простой и более эффективной по сравнению с традиционной и уступает незначительно эффективной оценке, в случае существования последней, с точки зрения близости к расчетной оценке ГПС при использовании биномиального плана испытаний. Полученная оценка ГПС имеет существенные преимущества, а именно: оценка является эффективной на достаточно широком классе оценок; оценка позволяет получать значение по результатам испытаний, не давших отказов. Полученная оценка ГПС рекомендуется для безотказных испытаний, проводимых по биномиальному плану.

12
Аннотация

Введение. В современном производстве высоконадежных, уникальных, сложных изделий стала обычной ситуация, в которой необходимо по­лучить оценку гамма-процентного срока сохраняемости (ГПСС) или гамма-процентной наработки до отказа (ГПНДО) (далее – ГПС, понимая под этим соответственно ГПСС или ГПНДО) на основе испытаний, не давших отказов. Как правило план испытаний относят к биномиальным испытаниям или к испытаниям с ограниченной наработкой и восстановлением. Под ГПНДО понимается: наработка, в течение которой отказ не возникнет с вероятностью γ, выраженной в процентах. Аналогично, под ГПСС понимается: календарная продолжительность хранения изделия, в течение и после которой изделие способно выполнять требуемую функцию с вероятностью γ, выраженной в процентах.

Цель работы. Целью работы является нахождение оценки ГПС ( ), которая будет простой и более эф­фективной по сравнению с традиционной и уступающей незначительно эффективной оценке , в случае ее существования, с точки зрения близости к  при использовании биномиального плана испытаний.

Методы исследования. В основе исследования эффективных оценок лежит интегральный подход, в основе которого лежит построение правила выбора (критерий) эффективной оценки , заданного на сумме значений абсолютных смещений оценок , выбранных из некоторого множества, от функции параметра закона распределения .

Выводы

  1. Полученная оценка ГПС  является простой и более эф­фективной по сравнению с традиционной и уступает незначительно оценке , в случае ее существования, с точки зрения близости к  при использовании биномиального плана испытаний.
  2. Полученная оценка ГПС  имеет существенные преимущества, а именно:

– оценка является эффективной на достаточно широком классе оценок;

– оценка позволяет получать значение  по результатам испытаний, не давшим отказы.

  1. Полученная оценка ГПС  рекомендуется для безотказных испытаний, проводимых по биномиальному плану.

 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

22-27 64
Аннотация

Целью работы является повышение мощности статистических критериев за счет их совместного применения для снижения требований к объему тестовой выборки.

Методы. Классические статистические критерии: хи-квадрат, Крамера фон-Мизеса и Шапиро-Уилка предложено объединять через использование эквивалентных им искусственных нейронов. Каждый нейрон выполняет сравнение входных статистик с заранее вычисленным порогом и имеет два выходных состояния. Это позволяет получать три разряда бинарного выходного кода сети из трех искусственных нейронов.

Результаты. Показано, что каждый из этих критериев на малых выборках биометрических данных дает большие значения ошибок первого и второго рода при проверке гипотезы нормальности. Нейросетевое объединение трех рассмативаемых критериев позволяет существенно снизить вероятности ошибок первого и второго рода. Приведены результаты парных нейросетевых обобщений, а также неросетевого обобщения тройки рассматриваемых статистических критериев.

Выводы. Дается прогноз ожидаемых вероятностей ошибок первого и второго рода для нейросетевых обобщений 10 и 30 классических статистических критериев для малых выборок, содержащих 21 опыт. Важным элементом технологии прогнозирования является симметризация задачи, когда вероятности ошибок первого и второго рода делаются одинаковыми и усредняются. Усредняются также модули коэффициентов парной корреляции выходных состояний сумматоров искусственных нейронов. Только в этом случае связь числа обобщаемых критериев с ожидаемыми вероятностями ошибок первого и второго рода становится линейной в логарифмических координатах.

28-33 60
Аннотация

Цель данной статьи – показать, что разработка, внедрение новых средств диагностики и улучшение существующих средств диагностики в бортовых устройствах позволяет добиться улучшения эксплуатационных характеристик и снижения вероятности перехода интеллектуальных систем железнодорожного транспорта в запрещенное состояние.

Методика. Для интеллектуальных систем железнодорожного транспорта наибольший интерес представляет построение аналитической модели оценки вероятности в связи с ее возможностью наглядной демонстрации учитываемых в модели факторов. Запрещенные события, которые приводят к нарушению работоспособности интеллектуальных систем железнодорожного транспорта, являются случайными, и их можно представить в виде случайного процесса. Случайный процесс развития системы, переход системы из разрешенного состояния в запрещенное состояние, изменение состояний системы во времени может быть описан полумарковским процессом. При оценке вероятности попадания системы в запрещенное состояние возникает вопрос выбора метода расчета. В статье показана возможность представления и решения полумарковской модели с помощью связанной графовой модели [3, 5], которая обладает высоким уровнем наглядности и является хорошо формализованным методом определения вероятности перехода системы в запрещенное состояние. Множество состояний системы и связи между ними представлены в виде ориентированного графа состояний, для которого определены топологические понятия [3]. Для определения влияния введения новых средств диагностики и улучшения существующих средств диагностики в бортовых устройствах на вероятность перехода интеллектуальных систем железнодорожного транспорта в запрещенное состояние используется теорема определения вероятности перехода системы из начального неопасного состояния в опасное состояние и приведена формула расчета этой вероятности.

Результаты. Реализованный в представленной статье графовый метод демонстрирует, что применение дополнительных средств диагностики позволяет уменьшить вероятность попадания системы в запрещенное состояние, то есть, в состояние, когда отказ не будет обнаружен штатными или дополнительными средствами диагностики, более чем в 2 раза.

28-32 9
Аннотация

Цель данной статьи – показать, что разработка, внедрение новых средств диагностики и улучшение существующих средств диагностики в бортовых устройствах позволяет добиться улучшения эксплуатационных характеристик и снижения вероятности перехода интеллектуальных систем железнодорожного транспорта в запрещенное состояние.

Методика. Для интеллектуальных систем железнодорожного транспорта наибольший интерес представляет построение аналитической модели оценки вероятности в связи с ее возможностью наглядной демонстрации учитываемых в модели факторов. Запрещенные события, которые приводят к нарушению работоспособности интеллектуальных систем железнодорожного транспорта, являются случайными, и их можно представить в виде случайного процесса. Случайный процесс развития системы, переход системы из разрешенного состояния в запрещенное состояние, изменение состояний системы во времени может быть описан полумарковским процессом. При оценке вероятности попадания системы в запрещенное состояние возникает вопрос выбора метода расчета. В статье показана возможность представления и решения полумарковской модели с помощью связанной графовой модели [3, 5], которая обладает высоким уровнем наглядности и является хорошо формализованным методом определения вероятности перехода системы в запрещенное состояние. Множество состояний системы и связи между ними представлены в виде ориентированного графа состояний, для которого определены топологические понятия [3]. Для определения влияния введения новых средств диагностики и улучшения существующих средств диагностики в бортовых устройствах на вероятность перехода интеллектуальных систем железнодорожного транспорта в запрещенное состояние используется теорема определения вероятности перехода системы из начального неопасного состояния в опасное состояние и приведена формула расчета этой вероятности.

Результаты. Реализованный в представленной статье графовый метод демонстрирует, что применение дополнительных средств диагностики позволяет уменьшить вероятность попадания системы в запрещенное состояние, то есть, в состояние, когда отказ не будет обнаружен штатными или дополнительными средствами диагностики, более чем в 2 раза.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЖИВУЧЕСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

34-42 67
Аннотация

Целью настоящей статьи является разработка методов анализа и моделирования процессов возникновения и развития нештатных ситуаций на сложных технических объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта. Приведены результаты анализа угроз, причин и последствий возникновения внезапных чрезвычайных ситуаций на сложных технических объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта. Для решения задач обеспечения безотказного функционирования технических объектов, а также своевременной идентификации неполадок предложено использовать индикаторный подход, позволяющий осуществлять диагностирование и формальный анализ процессов возникновения и распространения неисправностей по элементам сложных технических систем. Для моделирования процессов распространения возникающих в результате технических неполадок возмущений (угроз возникновения чрезвычайных ситуаций) предложено использовать теоретико-графовый подход, предполагающий модельное и визуальное представление структуры исследуемой технической системы в виде ориентированного графа, отражающего взаимосвязи между ее элементами. Каждой вершине и дуге графа присваиваются некоторые параметры или функционалы, отражающие процессы взаимосвязанного функционирования элементов моделируемой системы. Распространение возмущений в системе моделируется импульсными процессами, запускаемыми в одной или нескольких исходных вершинах. В статье приведены разработанные формализованные модели распространения возмущений в технической системе на основе построения структурных компонент и матриц взаимосвязи. Введено понятие критического элемента технической системы, с использованием которого идентифицируется событие ее выхода из строя. Выделены два базовых критерия отказа технической системы: исключительный (система считается вышедшей из строя, если возмущение достигло любого из критических элементов) и абсолютный критерий (отказ наступает в случае, если возмущение достигло заданного подмножества критических элементов). В работе приведен аналитический пример, иллюстрирующий возможности предложенной модели распространения возмущений по структуре технической системы. Для решения задачи повышения эффективности диагностирования угроз возникновения чрезвычайных ситуаций на технических объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта предложена модель использования структурно-интегрированных индикаторов, сущность которой состоит в том, что в структуре технической системы предлагается размещать индикаторы, оперативно передающие необходимую и достаточную информацию в случае возникновения нештатной ситуации. Основная задача при этом состоит в формировании некоторого множества индикаторов, основной целью которого является снижение информационной нагрузки и фокусировка внимания диспетчеров или операторов на ключевых с точки зрения обеспечения безаварийности и безопасности процессах, происходящих в технической системе. Выделены базовые критерии формирования множества индикаторов в сложной технической системе: максимум достоверности оценки последствий возникших возмущений, максимум точности определения причин возникновения нештатной ситуации, минимум времени обнаружения нештатной ситуации, минимум единовременных или текущих затрат. Приведена модифицированная графовая модель распространения возмущений в сложной технической системе, являющаяся основой для решения многокритериальных задач оптимального размещения индикаторов в структуре технических систем по критериям полноты, точности и своевременности обнаружения отказов различного типа. Автоматизация процессов формирования множества индикаторов с применением моделей распространения возмущений в технических системах позволит использовать предложенные методы в рамках развития методологии УРРАН в части совершенствования технологий поддержки принятия решений в процессе управления объектами инфраструктуры железнодорожного транспорта.

43-48 62
Аннотация

Цель. Рассмотрены существующие определения живучести и эксплуатационной живучести авиационных конструкций. Сделана попытка дать однозначное определение живучести авиационных конструкций, которое в дальнейшем можно будет распространить и на летательный аппарат в целом и на другие сложные технические объекты. Основная задача настоящей работы состоит в том, чтобы четко разделить понятия надежности и живучести. Для обеспечения эффективности эксплуатации и безопасности полетов летательный аппарат должен обладать летной годностью – комплексной характеристикой летательного аппарата, определяемой реализованными в его конструкции принципами и решениями, позволяющей совершать безопасные полеты в ожидаемых условиях и при установленных методах эксплуатации. Ожидаемые условия эксплуатации описаны в Авиационных правилах – Нормах летной годности. Несмотря на то, что выполнение требований Норм летной годности обеспечивает достаточно высокий уровень безопасности полетов, особо ответственные элементы конструкции выполняют так, чтобы они оставались работоспособны даже в экстремальных условиях, выходящих за рамки ожидаемых условий эксплуатации. Но надежность не может отвечать за работоспособность вне ожидаемых условий эксплуатации. Напрашивается вывод о том, что в экстремальных условиях, выходящих за рамки ожидаемых условий эксплуатации, за работоспособность должно отвечать другое свойство, а именно живучесть.

Методы. При проведении настоящего исследования были использованы логический и вероятностный подходы. Были исследованы литературные источники, посвященные в основном проблемам надежности и живучести авиационных конструкций, а также других сложных технических объектов. Для наилучшего понимания различий и взаимосвязи понятий надежности и живучести был использован вероятностный подход.

Результаты. После проведенного анализа литературных источников было сформулировано определение живучести как свойства объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в экстремальных условиях, выходящих за рамки ожидаемых условий эксплуатации, при установленных методах технического обслуживания, хранения и транспортирования. Кроме того, было предложено определение эксплуатационной живучести как свойства объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в экстремальных условиях, выходящих за рамки ожидаемых условий эксплуатации, в зависимости от методов технического обслуживания, хранения и транспортирования. При рассмотрении вероятностного подхода к разделению понятий надежности и живучести авиационных конструкций был использован известный ранее показатель реальной эффективности транспортного летательного аппарата, который представляется в виде математического ожидания показателя эффективности. Летательный аппарат может находиться либо в ожидаемых условиях эксплуатации, либо в экстремальных условиях, выходящих за рамки ожидаемых условий эксплуатации, третьего не дано. Тогда сумма вероятностей попадания летательного аппарата в эти условия должна равняться единице. Вероятность безотказной работы можно вычислить через вероятность противоположного события – вероятность отказа, которую можно представить в виде произведения вероятности попадания летательного аппарата в соответствующие условия эксплуатации и вероятности отказа в данных условиях. Для экстремальных условий, выходящих за рамки ожидаемых, можно использовать доработанные автором известные понятия поражаемости и уязвимости.

Выводы. Получено определение живучести, имеющее четкое отличие от понятий надежности и отказобезопасности. Кроме того, предложено понятие эксплуатационной живучести, которое введено по аналогии с ранее введенным понятием эксплуатационной надежности.

УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

49-54 74
Аннотация

Цель. Статья посвящена вопросу оценки риска транспортного происшествия, обусловленного воздействием природных чрезвычайных ситуаций, при движении поездов по определенному маршруту. Постоянно увеличивающаяся антропогенная нагрузка на окружающую среду неизбежно приводит к изменениям климата, которые в свою очередь провоцируют увеличение числа экстремальных погодных явлений. Последние, как правило, инициируют техногенные аварии и катастрофы. Оценка факторов климатического риска, количественно характеризующих последствия влияния на инфраструктуру железнодорожного транспорта, служит отправным моментом для управления рисками бедствий и адаптации человеческой деятельности к постоянно изменяющемуся климату.

Методы. Авторы данной статьи предлагают метод оценки риска, учитывающий влияние различных видов природных чрезвычайных ситуаций, воздействующих на подвижной состав в процессе его следования. В основе этого метода лежат элементы теории вероятностей и математической статистики. Благодаря разработанной методике можно произвести оценку риска транспортного происшествия, вызванного природными чрезвычайными ситуациями, при движении поездов не только для конкретного участка железной дороги, но и для определенного маршрута или направления на сети железных дорог.

Результаты. Для маршрута «Невинномысская – Туапсе», состоящего из 6 участков Северо-Кавказской железной дороги, один из которых был поврежден в результате выпадения обильных осадков 24-25 октября 2018 года, был рассчитан риск транспортного происшествия в результате воздействия на социотехническую систему этого направления трех видов ЧС природного характера, а именно:

• наводнения;

• урагана с силой ветра более 22 м/c;

• сильного дождя.

Параметры этих чрезвычайных ситуаций охарактеризованы следующими составляющими:

• частота возникновения среди других видов ЧС;

• среднее годовое число природных ЧС;

• характерный пространственный масштаб природной ЧС;

• характерное время действия природной ЧС.

Условные вероятности воздействия на социотехническую систему железнодорожного транспорта события, имеющего характерный пространственный и временной масштаб, и приведшего к транспортному происшествию с поездом, были оценены из предположения, что поток поездов в пространстве подчиняется нормированному закону Эрланга k-го порядка. Риск транспортного происшествия при движении поезда в четном и нечетном направлениях по i-му участку j-ой железной дороги, вызванного опасным воздействием природного ЧС m-го вида определен с учетом совместности событий. С помощью метода дисконтирования получено уравнение для оценки математического ожидания экономического ущерба от нарушений безопасности движения, что позволило оценить экономическую составляющую риска.

Выводы. В результате предложен метод оценки риска транспортного происшествия вследствие воздействия природной ЧС, приведен пример оценки данного риска, включая эго экономическую составляющую, для направления движения «Невинномысская – Туапсе».

СООБЩЕНИЯ



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