Preview

Надежность

Расширенный поиск
Том 20, № 2 (2020)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)
https://doi.org/10.21683/1729-2646-2020-20-2

СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

3-11 97
Аннотация
Цель. Переход на цифровые технологии индустрии 4.0 позволит в недалеком будущем создавать все больше изделий с уникальными потребительскими свойствами «с первого предъявления» (фактически без материальных затрат на экспериментальную отработку и доработку конструкций по результатам испытаний). Обеспечить расчеты показателей надежности таких изделий достоверными статистическими данными будет крайне затруднительно. Однако потребность в надежных изделиях останется. При этом сами подходы к цифровым технологиям на основе физических моделей и инженерных знаний дают возможность создать прогнозные методы обеспечения надежности (исходя из недопустимости либо, наоборот, умышленного программирования отказов). Это неизбежно ведет к смене парадигмы современной теории надежности, связанной с вынужденным отходом от математических моделей теории надежности в качестве базовых. Методы. В отечественных традициях принято определять надежность путем задания требуемых функций набором параметров, характеризующих способность их выполнения, и допустимых пределов изменения значений этих параметров. Если критерии каких-либо из требуемых функций не могут быть установлены с помощью параметров, то можно использовать прием, согласно которому функционирование объекта подменяют информационной моделью в виде черного ящика, в котором выполнение требуемых функций характеризуют вероятностными показателями отказов (статистическими, логическими, байесовскими, субъективными). Чтобы с единых позиций учесть параметры и вероятности выполнения требуемых функций, нахождение значений параметров в допустимой области можно характеризовать вероятностью, как степенью уверенности в совершении такого события, например с учетом конструктивных запасов. В этом случае выполнение всех требуемых функций может быть охарактеризовано аддитивным показателем надежности, который определяют методом структурной схемы надежности. Такой показатель в полной мере характеризует прогнозный уровень надежности. Результаты. Оценку прогнозируемой надежности производят с помощью методики конструкторско-технологического анализа надежности (КТАН). Эта методика позволяет с помощью набора алгоритмизированных методов представить конструкторскую (по ГОСТ 2.102) и технологическую (по ГОСТ 3.1102) документацию технического объекта в виде обобщенной параметрической модели функционирования. Такая модель позволяет учитывать индивидуальные конструктивные особенности изделий исходя из единства функциональности, работоспособности и надежности, и на этой основе оценивать вероятности возможных отказов. Алгоритмы проведения КТАН и цифровых технологий проектирования полностью совместимы и обусловлены общими задачами по обоснованию конструкторских решений для исключения (снижения вероятности) ошибок, способных вызвать отказы, на основе аналитической, расчетной и экспериментальной верификации. Выводы. Цифровые технологии предоставляют реальную возможность прогнозировать, смягчать или исключать возможные отказы. Достичь этого можно точно такими же подходами, которые подчас и приводят к отказам, – конструкторско-технологическими. Для этого необходимо создавать новые приложения современной теории надежности на базе инженерных дисциплин и конструкторско-технологических методов обеспечения качества и надежности изделий.
12-17 75
Аннотация
Системы трубопроводного транспорта используют при доставке потребителям различных веществ, материалов, в том числе и необходимых для поддержания непрерывных производственных процессов. Функционирование таких сложных промышленных объектов связано с определенными рисками и возможностью отказа по различным причинам отдельных узлов и агрегатов. Рассмотрены особенности поведения систем трубопроводного транспорта при возникновении нештатных ситуаций. Развитие таких процессов может стать причиной отключения от источника некоторой части или всех потребителей целевого продукта. Процесс повреждения может происходить в соответствии со следующими механизмами: прогрессирующие повреждение, когда отдельные трубопроводы системы переходят в состояние неработоспособности случайным образом; прогрессирующая блокировка, когда в случайном порядке становятся неработоспособными отдельные транспортные узлы. Сценарий развития аварийной ситуации, при котором в системе возникают как процессы прогрессирующего повреждения линейных элементов, так и блокировки транспортных узлов, называется смешанным повреждением. Целью работы является разработка критериев оценки стойкости трубопроводных транспортных систем к смешанному повреждению, а также методов решения типовых задач синтеза сетевых структур, стойких к развитию этого процесса. Методы исследования. Способность конкретной системы противостоять развитию смешанного повреждения зависит от ее сетевой структуры и устанавливается с использованием метода имитационного моделирования. Структурные изменения при развитии смешанного повреждения описываются циклограммой, параметры которой указывают количество поврежденных линейных и блокированных точечных элементов в течение одного цикла воздействия на систему. Сравнение способности сетевых структур противостоять развитию смешанного повреждения возможно только при условии их сопоставимости. Для этого анализируемые системы должны иметь в своем составе одинаковое количество узлов, линейных элементов, а также потребителей целевого продукта. Кроме того, все эти системы должны быть подвергнуты смешанному повреждению с одинаковой циклограммой. Результаты. При моделировании процедуры смешанного повреждения определялись такие характеристики процесса как средняя доля линейных элементов системы, повреждение которых приводит к разрыву связи всех потребителей с источником, а также средняя доля узлов, блокировка которых приводит к полному отключению от источника всех потребителей. Разработанный метод оценки стойкости систем к развитию смешанного повреждения позволяет решать следующие практические задачи структурного синтеза: выбор положения источника целевого продукта на заданной сети; выбор места расположения в действующей системе новых потребителей; определение мест присоединения к системе дополнительных технологических фрагментов; выбор присоединительных линейных элементов при подключении к транспортной системе фрагментов расширения. Выводы. Смешанное повреждение является опасным сценарием развития аварии и сопровождается быстрой деградацией транспортных возможностей трубопроводных систем. Различные сетевые структуры обладают разной способностью противостоять смешанному повреждению, а характеристики их стойкости следует устанавливать при помощи метода имитационного компьютерного моделирования. Сравнение характеристик стойкости к смешанному повреждению возможно только для сопоставимых сетевых структур, имеющих в своем составе одинаковое количество узлов, линейных элементов и потребителей целевого продукта. Кроме того, одинаковой должна быть и используемая циклограмма процесса смешанного повреждения.

ДИСКУССИЯ ПО ТЕРМИНОЛОГИИ НАДЕЖНОСТИ

19-23 91
Аннотация
Цель. Статья продолжает цикл публикаций, обсуждающих терминологию в области надежности и ее стандартизацию. Ее цель – не рассмотрение и обсуждение конкретных терминов, а формулировка основных принципов, которые должны быть положены в основу при разработке общетехнического терминологического стандарта по надежности. Согласование таких общих принципов позволит облегчить нахождение решений по конкретных терминам и определениям. Методы. Общие принципы и требования, установленные в нормативных документах по стандартизации, конкретизированы применительно к терминологическому стандарту по надежности. Также учтены положения ряда других общетехнических стандартов, влияющие на стандартизацию терминологии по надежности. Рассмотрены действующие и прежние терминологические стандарты, как отечественные (ГОСТ 13377–67, ГОСТ 13377–75, ГОСТ 27.002–83, ГОСТ 27.002–89, ГОСТ Р 27.002–2009 и ГОСТ 27.002–2015), так и международные (IEC 60050-191:1990 и IEC 60050-192:2015). Проанализировано, в какой мере они соответствуют общим принципам, указаны недостатки рассмотренных стандартов. Результаты и выводы. Сформулированы основные принципы, которым должен соответствовать общетехнический терминологический стандарт по надежности: преемственность по отношению к предшествующим аналогичным отечественным стандартам, близость к международному стандарту МЭК, согласованность с другими базовыми общетехническими стандартами, внутренняя согласованность и логическая непротиворечивость, общность и универсальность для удовлетворения потребностей всех отраслей.
24-27 82
Аннотация
Цель. В настоящее время сформировалась полноценная структура национальных, российских стандартов по надежности ГОСТ Р 27.ххх. Однако из-за приостановления действия стандарта по терминологии (ГОСТ Р 27.002-2009) эта структура оказалась неполноценной. В этой ситуации компромиссным решением может оказаться двойное наименование у действующего стандарта по надежности в России. Целью статьи является формирование предложений по совершенствованию основных понятий в области надежности. Методы. В работе применяются методы системного анализа в области терминологии надежности. В последнее десятилетие активно ведется дискуссия о терминах в надежности. Затрагивают не только частные определения, но непосредственно определение термина «надежность». Терминология по надежности в Российской Федерации представлена в настоящее время двумя стандартами: российским стандартом ГОСТ Р 27.002-2009 (приостановлен на неопределенное время) и межгосударственным стандартом ГОСТ 27.002-2015. В данной работе ведется продолжение полемики по ограниченному кругу понятий и терминов, наиболее интересных для автора. Затрагиваются понятия: объект, изделие, отказ, свойство, способность, расчет, оценка, прогнозирование, требования к надежности. Отмечено, что в основе понятия технического изделия лежит продукт – предмет исследования как законченный результат некоторой технической деятельности: сделать и одновременно наделить продукт способностью, необходимой для выполнения тех или иных функций. Показано, что признаки изделия характеризуют его способности, поэтому при определении надежности первична способность изделия, наделенного свойствами (признаками), необходимыми для выполнения тех или иных функций. Сами признаки (свойства) являются первичными лишь при определении требуемой способности изделия и являются вторичными при определении надежности. Обосновано, что нет надобности подменять два понятия «расчет» и «оценка», что соответствует истине. Отмечена корректность определения термина «прогнозирование» в российском стандарте ГОСТ Р 27.002-2009: вычислительный процесс, направленный на предсказание значений количественных характеристик. Выводы. На основании проведенного в работе терминологического анализа сформированы следующие предложения. В термины по надежности следует ввести определение изделия. Под изделием следует понимать функциональную единицу, наделенную способностями, определяемыми необходимыми свойствами. Под отказом следует понимать событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния изделия. Понятие объекта следует изложить в редакции ГОСТ Р 27.001-2009: объект (изделие, система, комплекс), который рассматривают отдельно с позиции надежности, состоящий из технических и программных средств, или их сочетания. Термины надежность, безотказность, долговечность и подобное следует определять как установленную способность изделия выполнять требуемую функцию в заданных обстоятельствах. Термин «требования к надежности» следует закрепить в стандартах по надежности. Не следует в межгосударственном стандарте ГОСТ 27.002-2015 вводить термин «оценка надежности».

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЖИВУЧЕСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

28-34 79
Аннотация
Целью работы является демонстрация преимуществ учета реальных корреляционных связей через их симметризацию, что значительно лучше полного игнорирования реально существующих корреляционных связей при статистических оценках на малых выборках. Методы. Вместо разных по знаку и модулю реальных коэффициентов корреляции использованы одинаковые значения модулей коэффициентов корреляции. Показано, что эквивалентность преобразований симметризации возникает при условии совпадения вероятностей ошибок первого и второго рода для асимметричной и эквивалентной симметричной корреляционных матриц. Рассматривается процедура точного вычисления коэффициентов равной коррелированности данных путем подбора и процедура приближенного вычисления симметричных коэффициентов путем усреднении модулей реальных коэффициентов корреляции асимметричной матрицы. Результаты. Отмечается практически линейная зависимость равных вероятностей ошибок первого и второго рода с размерностью решаемой симметризованной задачи при логарифмических масштабах учитываемых переменных. Это в конечном итоге позволяет выполнять рассматриваемые в статье вычисления табличным способом на малоразрядных, малопотребляющих микроконтроллерах низкой стоимости. Рассмотренные в статье преобразования имеют квадратичную вычислительную сложность и сводятся к использованию, заранее построенных 8-ми разрядных таблиц двоичного кода, связывающих ожидаемую вероятность ошибок первого и второго рода с параметром равной коррелированности данных. Все выполняемые табличные вычисления корректны и не накапливают ошибок округления исходных данных. Выводы. Часто практикуемое сегодня полное игнорирование корреляционных связей при статистическом анализе является плохой практикой. Более корректным является замена матриц реальных коэффициентов корреляции их симметричными аналогами. Ошибка приближения, возникающая из-за простого усреднения модулей коэффициентов асимметричных корреляционных матриц, падает пропорционально квадрату их размерности или квадрату числа нейронов, обобщающих классические статистически критерии. При использовании 16-ти и более нейронов ошибка приближения становится пренебрежимо малой и ее можно не учитывать.
35-42 73
Аннотация
Рассмотрены факторы, влияющие на надежность передачи данных в сетях с узлами с периодической доступностью. Приведены принципы передачи данных между роботами, показана необходимость глобальной связности коммуникаций внутри автономной системы, так как отсутствие информации о намерениях других автономных роботов понижает эффективность робототехнической системы в целом и отрицательно влияет на отказоустойчивость в условиях распределения работ в коллективе независимых исполнителей поставленного задания. Показано, что существующие решения задачи обмена данными на основе IP-сетей общего назначения обладают рядом недостатков, поэтому в качестве основы организации сетевого взаимодействия автономных роботов использовались наработки в области топологических моделей систем связи, что позволяет строить самоорганизующиеся сети. Перечислены требования к проектируемой сети для надежной передачи сообщений между автономными роботами, выбран вариант организации надежной доставки сообщений с помощью оверлейных сетей, позволяющих расширить функционал сетей со стабильной конфигурацией. Приведен обзор существующих управляемых и неуправляемых оверлейных сетей, произведена оценка их применимости для коммуникации внутри коллектива автономных роботов. Описаны требования к механизму обмена данными в связи с особенностями и спецификой работы коллектива автономных роботов. Для описания алгоритмов и архитектуры оверлейной самоорганизующейся сети использовались общепринятые методы построения децентрализованных сетей с нулевой конфигурацией. В результате работы были предложены общие принципы функционирования спроектированной сети, описана структура сообщений для алгоритма доставки, произведено выделение служебных маршрутизируемых потоков данных, описаны алгоритмы пересылки сообщений между узлами сети, разработаны алгоритмы сбора и синхронизации глобального статуса сети. Для повышения надежности и отказоустойчивости работы сети предложено хранение глобального статуса сети на каждом из узлов. Описаны принципы функционирования распределенного хранилища данных. Для информирования об изменениях в статусе сети предложено использование отдельного канала управления для внутрисетевых служебных сообщений, не пересекающегося с передаваемыми данными. Разработан алгоритм лавинной маршрутизации для уменьшения задержек и ускорения процесса синхронизации глобального статуса сети и поддержки его консистентности. Предложено использовать hello-протокол для установки и поддержания соседских отношений между узлами сети. Приведены примеры добавления и удаления узлов сети, рассмотрены возможные проблемы масштабируемости разрабатываемой сети и способы их решения. Подтверждены критерии и показатели достижения эффекта самоорганизации отдельных узлов в сеть. Произведено сравнение спроектированной сети с существующими аналогами. Для разработанных алгоритмов приведены примеры расчетных оценок временных задержек доставки сообщений. Указаны теоретические ограничения оверлейной сети при наличии преднамеренных и непреднамеренных дефектов, а также приведен пример восстановления работоспособности сети после сбоя.

БЕЗОПАСНОСТЬ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

43-53 82
Аннотация
Цель работы – уменьшение количества опасных событий на железнодорожном пути за счет разработки методологии прогнозирования редких опасных отказов на основе обработки больших массивов данных, поступающих в реальном масштабе времени от диагностических систем о каждом километре пути. Опасные отказы являются редкими событиями. Однако для железной дороги в целом ежегодно количество таких событий измеряется десятками и для эффективного управления безопасностью движения важно перейти от оценки вероятности появления опасного отказа как такового к определению наиболее вероятного места отказа. Методы. Задача выявления редких, но опасных возможных событий из сотен тысяч данных о некритичных отклонениях параметров железнодорожного пути не поддается решению традиционными методами статистической обработки. Прогнозирование опасных событий на основе указанной статистики осуществляется с помощью методов искусственного интеллекта. Для этого используются технологии анализа больших данных и Data Science. К таким технологиям относятся методы машинного обучения, решающие задачи классификации объектов на основе его характеристик (признаков, предикатов) и известных случаях реализации нежелательных событий. Применение различных алгоритмов машинного обучения демонстрируется на примере прогнозирования отказов верхнего строения пути по наблюдениям, собранным в период с 2014 г. по 2019 г. на Куйбышевской железной дороге. Результаты/Выводы. Результатом категорирования объектов является вывод о наиболее вероятном месте появления опасного отказа на железнодорожном пути. Такой вывод основан на анализе связей между случаями появления нежелательных событий и фактическими характеристиками объекта и условиями его эксплуатации. Практическое значение этой работы состоит в том, что предлагаемый набор методов и средств может рассматриваться как неотъемлемая часть системы принятия решений по техническому обслуживанию пути. Его можно легко адаптировать для функционирования в режиме онлайн и интегрировать с автоматизированной измерительной системой на базе транспортного средства.
54-64 65
Аннотация
Цель. Современное состояние развития микропроцессорных систем управления и обеспечения безопасности движения поездов характеризуется высокими требованиями, предъявляемыми к надежности, технической безопасности и кибербезопасности данных систем в условиях, когда цифровая трансформация и задачи повышения конкурентоспособности железнодорожного транспорта настойчиво требуют перехода к новым парадигмам проектирования, тестирования, верификации, валидации и стандартизации для ускорения процесса разработки и внедрения. Предполагается, что при сохранении уровня надежности и безопасности, по крайней мере, не хуже текущего, должно быть обеспечено максимальное использование инновационных решений и цифровых инструментов, направленных на дальнейшую автоматизацию систем управления с целью повышения пропускной способности железных дорог и производительности систем, минимизации влияния человеческого фактора и сокращения числа отказов и простоев. Важнейшими факторами при этом являются обеспечение интероперабельности (технической и эксплуатационной совместимости) систем и технологической независимости железнодорожных операторов и владельцев инфраструктуры от разработчика/поставщика устройств и систем железнодорожной автоматики. Методы. В работе дается обзор современного состояния развития микропроцессорных систем управления и обеспечения безопасности движения поездов на примере Европейского Союза и проводится системный анализ вопросов обеспечения надежности и безопасности данных систем в условиях перехода к новым уровням автоматизации. Результаты. Проведено рассмотрение эволюции систем управления и обеспечения безопасности движения поездов в Европейском Союзе на примере Европейской железнодорожной системы управления (ERTMS). Выполнен анализ общих тенденций и подходов к проектированию, тестированию, верификации, валидации и стандартизации железнодорожных систем управления. Рассмотрены основные научно-исследовательские и опытно-конструкторские программы развития железнодорожных систем управления ЕС с учетом используемых методологических подходов к обеспечению надежности и безопасности. Особое внимание уделено методам открытого проектирования, средствам удаленного лабораторного тестирования и стандартизации интерфейсов железнодорожной системы управления ERTMS. Выводы. В условиях цифровой трансформации развитие современных микропроцессорных систем на железнодорожном транспорте предполагает ускоренное внедрение целого ряда инновационных решений и широкое использование коммерческих продуктов (COTS), что в итоге делает системы более сложными и может влиять на показатели надежности. В целях сохранения этих показателей на заданном уровне и минимизации влияния человеческого фактора железнодорожное сообщество все шире использует на всех этапах жизненного цикла системы формальные методы и автоматизированные средства проектирования, диагностики и мониторинга. Важнейшим фактором для обеспечения надежности является стандартизация архитектуры, интерфейсов, открытых программных средств разработки и тестирования систем, в том числе, стандартизация подходов к удаленному лабораторному тестированию продуктов разных производителей для подтверждения безотказности работы на границах систем разных производителей.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


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