Preview

Надежность

Расширенный поиск
Том 22, № 2 (2022)
Скачать выпуск PDF

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ. СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ 

3-9 66
Аннотация

Цель этой статьи состоит в разработке аналитической методики вычисления показателя надежности специфической древовидной транспортирующей сети – системы водоотведения сточных вод крупного города.

Методы. В качестве меры надежности канализационной сети в целом предлагается рассматривать относительный объем сточной воды, сбрасываемой из канализационной сети в окружающую среду вследствие отказов ее элементов. Эта статья представляет простую и удобную методику вычисления этого объема. В основе этой методики лежит представление древовидной канализационной сети в виде комбинации Y-образных фрагментов, названных структурообразующими элементами. Каждый такой элемент формально заменяется его фиктивным эквивалентом с интенсивностью отказов, рассчитываемой из условия равенства объемов неочищенного сброса сточной воды реального и фиктивного элементов. Последовательное применение такого подхода сводит задачу оценки объема сбрасываемых стоков к элементарным подзадачам, решение которых находится методами теории вероятностей.

Результаты. Определение показателя эксплуатационной надежности сводится к рекуррентной пошаговой процедуре эквивалентирования Y-образных фрагментов сети, на каждом шаге которой результаты расчетов на предыдущей стадии используются в качестве исходных данных. Каждый такой шаг, начиная от входов сети, приводит к новой (виртуальной) сети, в отношении которой процедура повторяется. Процесс эквивалентирования заканчивается, когда исходная сеть оказывается представленной всего одним фиктивным элементом, для которого показатель надежности определяется элементарно.

Заключение. Разработана методика расчета показателя эксплуатационной надежности древовидной канализационной сети крупного города, удобная для применения. Перечислены некоторые практические задачи, при решении которых предлагаемая методика была бы продуктивна. Сформулированы направления перспективных исследований в этом направлении.

10-21 67
Аннотация

Цель. Теория сигнатур позволяет сравнивать структурную надежность сложных систем, состоящих из одинаковых компонентов с помощью определяемого по некоторому алгоритму числового вектора, называемого сигнатурой. Сигнатура описывает структуру системы и связана с порядковой статистикой наработок до отказа компонентов. Цель данной работы состоит в ознакомлении отечественного читателя с этой теорией, а также в построении простых алгоритмов, позволяющих найти сигнатуру произвольной системы со схемой голосования «VooL», в частности, последовательно-параллельной системы, с помощью известных сигнатур ее подсистем.

Методы. Для выполнения расчетов и доказательства теорем, в основном, применяются комбинаторика с различными схемами выбора элементов. Кроме этого применяются классические методы теории вероятностей и математической теории надежности.

Выводы. В статье вводится такое понятие математической теории надежности, как сигнатура технической системы. Основное предназначение этой характеристики состоит в сравнении структурной надежности нескольких, в частности, двух систем. При этом алгоритм достаточно прост и связан со сравнением по определенному правилу двух конечных числовых массивов. Под структурной надежностью понимается надежность схем соединения ряда одинаковых с точки зрения надежности компонентов. Это определенным образом существенно сужает спектр возможностей теории сигнатур, т.к. практически все технические системы состоят из компонент различной надежности. Однако с определенной долей консерватизма можно считать, что все компоненты системы имеют надежность идентичную худшему с точки зрения надежности компонента. При этом степень консерватизма будет определяться различием надежности компонентов, которое будет достаточно малой величиной для высоконадежных компонентов. Кроме этого необходимо отметить чисто научную, математическую красоту теории сигнатур, которая имеет достаточно бурное развитие в зарубежных научных изданиях в последнее время. Необходимо отметить, что построение сигнатуры технической системы по классическим законам комбинаторики резко возрастает по мере увеличения n – числа элементов, составляющих систему. Поэтому возникает необходимость в разработке достаточно простых алгоритмов вычисления сигнатуры произвольной системы. В предлагаемой работе получены аналитические способы получения сигнатуры как в простых случаях, когда к подсистеме добавляется последовательно или параллельно один компонент, так и в более сложных ситуациях, когда к подсистеме добавляется несколько подсистем, в частности, одна. Рассмотрен ряд примеров построения сигнатуры, как классическим, так и предложенным в данной работе способом. Разобран пример сравнения надежности систем с помощью их сигнатур. При этом разобран пример сравнения структурной надежности систем с различным числом компонентов. В предлагаемой работе доказан ряд теорем, позволяющих вычислить сигнатуру произвольной структурной схемы, состоящей из одинаковых с точки зрения надежности компонентов.

22-29 66
Аннотация

Приведены диаграммы состояний-переходов в условиях мониторинга, при котором учитываются явные и скрытые отказы.

Цель. Формирование диаграмм состояний-переходов, которые используются для разработки модели надежности и соответственно расчетных методов, в условиях мониторинга с периодическим контролем.

Методы. В основу метода положена классификация отказов по признаку их обнаружения: явные и скрытые отказы. В соответствии с этим контроль состояния объектов может быть непрерывным и/ или периодическим. При этом периодический контроль проводится с постоянным периодом. При формировании диаграммы состояний-переходов учтены причинно-следственные связи между состояниями и событиями: каждое состояние может быть причиной какоголибо события и в то же время состояние является следствием какого-то события. Аналогично каждое событие является причиной изменения состояния и в то же время событие является следствием какого-то состояния. На одном периоде между двумя операциями периодического контроля имеют место переходы в непрерывном времени, обусловленные отказами и происходящие в непрерывном времени. Этот процесс описывается теорией марковских процессов в непрерывном времени. После выполнения операции периодического контроля происходит переход в работоспособное состояние, если контролю подвергается работоспособный объект. Если объект оказался в неработоспособном состоянии, то он направляется на техническое обслуживание. Эти переходы в дискретные моменты времени описываются полумарковскими процессами. Для полного понимания излагаемого материала приведен перечень используемых терминов, взятых из государственных стандартов.

Результаты. При принятых видах отказов на одном периоде контроля переходы между состояниями описываются в непрерывном времени, а после проведения операции контроля – в дискретном времени. На каждом периоде контроля составляется и решается система дифференциальных уравнений при начальном работоспособном состоянии. По полученным вероятностям вычисляются вероятности периода без отказа и с отказом, а также средняя продолжительность работоспособного и неработоспособного состояний на периоде с отказом. При обнаружении отказов происходит переход в состояние технического обслуживания. Вероятность такого перехода находится в рамках теории полумарковского процесса. По вероятностям полумарковского процесса вычисляются средние числа периодов без отказа. Такая модель адекватно отражает процессы надежности эксплуатируемого оборудования. При отклонении от такого подхода показатели надежности могут принимать существенно отличающиеся расчетные значения. Приведены три примера диаграмм состояний-переходов: с учетом только явных отказов, только скрытых отказов и с совместным учетом этих отказов.

Обсуждение и выводы. Изложенный подход с использованием постоянного (регулярного) периода контроля позволяет формировать модели, адекватно отражающие процессы в реальных системах. Все операции по реализации моделируемых процессов выполняются на основе теории марковских процессов в непрерывном времени и полумарковских процессов. Эти операции выполняются в матричном виде. Такой подход дает возможность выполнять математические операции с применением средств компьютерной математики. Изложенный подход может быть использован для совершенствования моделей надежности технических систем.

30-37 41
Аннотация

Улучшение эффективности оценок различных планов испытаний однородной продукции основано на использовании критерия эффективности смещенных оценок C( ), где – некоторая оценка параметра. Процесс выбора эффективных смещенных оценок включает: предлагаемые оценки должны быть строго монотонны по всем своим параметрам; выбираются оценки с минимальным смещением A( ) = b2 или близкими к таковым. Если в процессе выбора из числа предложенных оценок оказалась единственная несмещенная оценка, то она и является эффективной. Для того, чтобы эта оценка оказалась эффективной в классе несмещенных оценок, необходимо доказать неравенство Крамера-Рао для этой оценки; исключаются оценки для которых выполняется неравенство A = b2 > D, т.е. смещение превалирует над разбросом значений этой оценки; выбираются оценки, для которых выполняется неравенство D/A > 4, т.е. оценки, для которых их реализации группируются вокруг истинного количественного значения оцениваемого параметра с разных сторон; среди оставшихся оценок выбираются оценки с минимальным смещением A( ) = b2. В случае единственной выбранной оценки с минимальным смещением A эта оценка признается эффективной; в случае с равными A в качестве эффективной среди них выбирается оценка с минимальной дисперсией. В качестве критерия эффективности смещенных оценок устанавливается характеристика C( ) = D·b2. Предлагаемые оценки вероятности безотказной работы (вероятности отказа) должны быть: строго монотонны по всем своим параметрам, не равны нулю и единице.

Цель работы. Целью работы является получение эффективных оценок вероятности безотказной работы для биномиального плана испытаний и плана испытаний с ограниченным временем и восстановлением при использовании критерия эффективности смещенных оценок.

Методы исследования. Для нахождения эффективной по смещению оценки использовались интегральные числовые характеристики точности оценки, а именно: суммарный квадрат смещения ожидаемой реализации некоторого варианта оценки от исследуемых параметров законов распределений и т.д.

Выводы. Получены эффективные по смещению оценки вероятности безотказной работы для биномиального плана испытаний и плана испытаний с ограниченным временем и восстановлением. Полученные оценки вероятности безотказной работы имеют направленность практического применения при испытаниях и эксплуатации изделий различного назначения, в процессе которых отказы не возникали.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ 

38-46 54
Аннотация

Цель. Целью статьи является обзор возможностей, подходов и приемов Big Data в области исследования и обеспечения функциональной безопасности транспортных систем, в том числе беспилотных систем. Отмечается, что современные технологии, приводящие к созданию транспортных систем нового поколения, эксплуатирующихся в изменчивых условиях и при значительном уровне пассажиронапряженности, требуют изменений в сложившихся схемах построения систем управления. В условиях роста агломераций многие пригородные системы сливаются с городскими, а интервалы движения в них приближаются по своей величине к интервалам движения в метрополитене. В этих условиях происходит переход от человеко-машинных систем к системам автоматическим, характеризующимся различной степенью автоматизации. Наблюдается масштабное внедрение цифровых средств связи, автоматизации технологических операций и дистанционного сбора данных и механизмов управления в сфере железнодорожных перевозок. Изменение поведения транспортных систем как подвида киберфизических систем приводит к смене парадигмы управления с линейно-функциональной к адаптивной с принципиально нелинейными системами с переменной структурой и переменными параметрами.

Методы. Традиционно для систем управления устойчивость оценивается по Ляпунову, в этом случае поведение устойчивой системы со 100% вероятностью можно представить в окрестности ε-трубки. Для рассматриваемых контролируемых систем, в которых устойчивость появляется за счет введения алгоритма-супервайзера, говорить о строгой устойчивости по Ляпунову некорректно. Идея контролируемых алгоритмов может распространяться не только на ИНС, но и на другие интеллектуальные алгоритмы. При этом выделяется область систем и знаний, не охваченная современными нормативными документами и методами доказательства безопасности. Выявление и исключение аномальных сигналов таких систем в этом случае позволят уточнить границы множества допустимых процессов, увеличив в ряде случаев быстродействие алгоритмов принятия решений за счет отключения целой ветви неблагоприятных сценариев.

Результаты. Для нелинейных транспортных систем с переменной структурой и переменными параметрами рассмотрены примеры использования машинного обучения/больших данных (ML/Big Data) в анализе функциональной безопасности сложных систем управления на железнодорожном транспорте. Предложена конструкция применения контролируемых искусственных нейронных сетей во взаимодействии с принципами верификации кода (model checking). Особое внимание уделено искусственным нейронным сетями с элементами управления, которые рассматриваются в качестве нового подкласса нейронных сетей.

Заключение. Сформированы современные требования к транспортным системам с применением искусственного интеллекта для адаптивного графика движения поездов и беспилотных систем управления. Это позволит в дальнейшем развивать целое направление исследований, связанное с функционированием сложных систем с контринтуитивным поведением – от оценки уровня функциональной безопасности систем с применением ИИ и машинного обучения до доказательства безопасности интеллектуальных контролируемых систем управления на основе методов формальной верификации.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ 

47-54 29
Аннотация

Цель. Важное и актуальное значение для решения задачи повышения безопасности полетов имеет получение данных о потенциальной экстремальной работоспособности пилота. С этой целью выполнялась проверка ряда ныне существующих моделей деформации эмоционального опыта пилота с точки зрения совпадения прогностического уровня деформации, полученного по этим моделям, с реальным уровнем деформации при особых ситуациях в полете (поскольку именно эмоциональный опыт пилота и противостоит разрушающему действию стрессового психического напряжения, возникающего в особой ситуации полета).

Методы. В проведенном исследовании были использованы следующие методы: интервью, психологическое диагностирование, математическое моделирование, экспертные оценки. Профессиональные пилоты (10 чел.), имеющие необходимый для данного исследования опыт, давали интервью в свободной форме о своем участии в одной из особых ситуаций из личной практики, которая затем экспертно оценивалась на предмет деформации эмоционального опыта участника. По специальной шкале испытуемые оценивали опасность своей особой ситуации, а также давали оценку 18 особых ситуаций из собранной в Санкт-Петербургском государственном университете гражданской авиации базы данных по особым ситуациям в полете. У всех участников данного исследования также определялся нейротизм с помощью опросника EPI (Eysenck Personality Inventory в адаптации А. Г. Шмелева). На основе этих данных, используя модели, имеющие вид многообразия катастрофы, вычислялась прогностическая деформация эмоционального опыта и сравнивалась с ее экспертной оценкой.

Результаты. Хотя формально одна исследуемая модель (модель А. О. Ленгарова) оказалась несколько лучше, чем другая (модель С. Г. Лобаря), но какой-либо принципиальной разницы между ними не обнаружено. Прогностические значения величины деформации эмоционального опыта слабо и незначимо (p > 0,1) коррелируют с экспертной оценкой. Для модели А. О. Ленгарова rкорр. = 0,2678, а для модели С. Г. Лобаря rкорр. = 0,2199.

Выводы. На данный момент не существует достоверно доказанной модели деформации эмоционального опыта, требуется дальнейший сбор данных о поведении пилотов в особых ситуациях в полете, их анализ и обобщение. Данное исследование подтвердило наличие, по крайней мере, двух из 8 ≪флагов катастрофы≫, согласно теории Рене Тома. То есть гипотеза о том, что модель деформации эмоционального опыта пилота должна иметь вид многообразия ≪катастрофы сборки≫, верна. Необходима существенная доработка метода объективизации оценки опасности особых ситуаций в полете, возможно, с использованием полиноминальных аппроксимаций, а также путем расширения базы данных Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации по особым ситуациям, в первую очередь, за счет сбора ситуаций с более современными типами воздушных судов.

55-63 49
Аннотация

Цель. На основе ныне существующих привязных высотных платформ на базе мультикоптеров выбрать наиболее перспективный образец с точки зрения летных качеств. Летные качества оцениваются по сочетанию влияющих на них свойств платформы.

Методы. Для достижения поставленной цели предлагается методология создания модели многомерного оценивания платформ.В ней применяются методы системного и функционального анализа свойств платформы, методы и модели теории отношений и измерения.

Результаты. В качестве составляющих модели многомерного оценивания предложены модель предметной области и модель предпочтений лица, принимающего решение. Методология продемонстрирована на примере оценивания качества пяти экземпляров платформ.

Заключение. Предлагаемый в статье подход позволяет использовать разработанную методологию для оценивания качества и технического уровня объектов любой природы. Методология может использоваться для получения комплексной оценки объекта по свойствам надежности и живучести.

64-71 34
Аннотация

Надежность железнодорожной системы автоблокировки АБТЦ-МШ всецело зависит от функциональной безопасности и устойчивости работы составляющих ее устройств, большинство из которых работает в импульсном режиме. Одними из основных компонентов устройств импульсного преобразования сигналов являются разнообразные трансформаторы и дроссели, расчет и разработка которых на практике часто затруднены в силу недостаточного учета паразитных параметров и особенностей работы этих электромагнитных систем при подмагничивании сердечника. В статье даны оценки результатов согласования электрических характеристик трансформатора с импедансами нагрузки и источника импульсного сигнала, пригодные для анализа и построения формирующих цепей и линий задержки на базе элементов с сосредоточенными параметрами.

Цель. Целью работы является обоснование инженерной методики расчета длительности переднего фронта сигнала в процессе установления его уровня на выходе формирующей цепи импульсного трансформатора при согласовании с нагрузками и оценка времени задержки включения исполнительного устройства при заданном пороге срабатывания в зависимости от параметров цепи второго порядка, которая часто используется в качестве элемента обратной связи импульсных преобразователей и систем авторегулирования.

Методы. Временные характеристики и форма импульса определяются для трансформатора, схема замещения которого соответствует работе изделия в диапазоне высших частот и учитывает приведенные к первичной обмотке паразитные параметры. Функция сигнала на выходе описывается согласно правилам теории линейных электрических цепей в операторной форме и после последовательно выполненных преобразований Лапласа обобщенное выражение коэффициента передачи сводится к стандартному изображению для цепи второго порядка. Аналитическое решение найдено через определение значений нулей и полюсов функции на комплексной плоскости, как корней квадратного уравнения, выраженных через коэффициент затухания цепи. Приводятся графики поля зависимостей процессов установления амплитуды импульса на выходе формирующей цепи и долей выброса амплитуды от коэффициента затухания при различных соотношениях коэффициентов согласования волнового сопротивления трансформатора с импедансами нагрузки и источника импульсного сигнала. Точечные оценки длительности фронта импульса выполнены с помощью функции программирования Mathcad и с учетом размерности матриц типа TRUE/FALSE, отражающих переход от нуля к единице. Это позволяет предложить линейные аппроксимации зависимостей длительности на заданном интервале с одной точкой перегиба, соответствующей условию полного согласования всех сопротивлений. Приводятся сведения по отклонению аппроксимации от расчетных данных, задержки срабатывания исполнительного устройства по порогу и обсуждение допустимости представления распределенных параметров в виде сосредоточенных элементов при реализации искусственных линий задержки и цепей более высокого порядка.

Результаты. Выводы. Поставленная цель достигается формированием однозначной расчетной зависимости, связывающей длительность фронта сигнала с коэффициентом передачи исследуемой цепи второго порядка. Обоснованность метода получения зависимости основывается на представлении описания выходного сигнала импульсного трансформатора в общем виде, последующем анализе выражения и получением точного аналитического решения с учетом принятых к рассмотрению основных паразитных параметров трансформатора и величин нагрузки.



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


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