автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Эксплуатационная надежность судовых радиоэлектронных средств связи в условиях дальнего плавания

• "у

? На правах рукописи

1 Бойко Анна Ивановна

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ СУДОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ДАЛЬНЕГО ПЛАВАНИЯ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новороссийск - 2006

Работа выполнена в организации ФГОУ ВПО "Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Демьянов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Иванченко Юрий Сергеевич

кандидат технических наук,

доцент Чернышев Валерий Михайлович

Ведущая организация: ОАО "Новошип" (г. Новороссийск)

Защита состоится "17" марта 2006 года в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 223.007.01 при МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова в аудитории Б-4 по адресу: 353918. г. Новороссийск, пр. Левина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мореной государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск, пр. Ленина, 93).

Автореферат разослан 2006 года.

Отзывы на автореферат присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, секретарю Диссертационного совета Д 223.007.01 при МГА имени адмирала Ф. Ф. Ушакова по адресу: 353918. г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

Учёный секретарь Диссертационного совета Д 223.007h 1 при МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова

доктор технических наук, профессор Q Бачище A.B.

Список сокращений и аббревиатуры

А |-А3 - морские районы плавания по классификации ГМССБ (А] - до 30 миль-,

А2-до 150 миль; А3- всё остальное) АИС - Автоматическая идентификационная система ГМССБ - Глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности

ГНСС - Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС - Глобальная навигационная спутниковая система (Россия) GPS - Глобальная навигационная спутниковая система (США) ДГНСС - Дифференциальная подсистема глобальной навигационной

спутниковой системы ЭКНИС - Система отображения электронных карт ИМО - Международная морская организация СКЦ - Спасательно-координационный центр MMS1 - Идентификатор морской подвижной службы MSI - Информация по безопасности мореплавания PJIC - Радиолокационная станция

САРП - Система автоматической радиолокационной прокладки СОЛАС - Международная конвенция по охране человеческой жизни на море

СУДС - Система управления движением судов УКВ - Ультракороткие волны ЦИВ - Цифровой избирательный вызов UTC - Универсальное всемирное время АРБ - Аварийный радиобуй

БПЧ - Буквопечатание - телеграфный режим работы

МПС - Морская подвижная служба

ПВ - Промежуточные волны

РГВ - Расширенный групповой вызов

РЛО - Радиолокационный ответчик

РМРС - Российский Морской Регистр Судоходства

СЗС - Судовая Земная станция (SES) INMARSAT

УБПЧ - Узкополосное буквопечатание

ии НАЦИОНАЛЬНАЯ j БИБЛИОТЕКА ! C.I 09

1БЛИОТЕКА { >9 j.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На сегодняшний день морской транспорт является составной частью мировых трансконтинентальных и интермодальных транспортных коридоров, обеспечивающих экономическую интеграцию стран в мировом сообществе, занимая третье место по грузообороту после железнодорожного и трубопроводного транспорта. Он оказывает существенное влияние на экономику России, так как является полноправным участником мирового рынка транспортных услуг и осуществляет крупномасштабные (по тоннажу и дальности) перевозки при более низких ценах по сравнению с другими способами транспортировки. Интенсификация использования мореного флота приводит как к увеличению его численности, так и к росту интенсивности судоходства на морских путях, а особенно в узкостях, на подходах к морским портам и на их акваториях. В связи с этим последние двадцать лет морской транспорт захватили глобалисте кие мировые процессы модернизации и унификации систем обеспечения безопасности мореплавания (систем радиосвязи, навигации, экологической и пожарной безопасности и т.д.). В 1990-х годах зги процессы охватили развёртывание мировой Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ), включающей все необходимые средства связи, обеспечивающие прием и передачу аварийных сигналов во всех морских районах плавания[1 Д].

Существующая на сегодняшний день тенденция ведет к дальнейшему увеличению числа судовых радиоэлектронных средств, а также к росту их технической сложности. Так, вводятся в эксплуатацию спутниковые системы высокоточной навигации, автоматизированная информационная система и др. В свою очередь, сложность, ответственность и уникальность задач, решаемых радиоэлектронной аппаратурой на мореном транспорте определяют к ним высокие требования, важная роль среди которых принадлежит количественным требованиям по надёжности [1,8]. В большей степени это касается судовых радиоэлектронных средств связи, так как навигационное оборудование, как правило, на судне имеет многократное информационное резервирование, т.е. навигационную информацию можно получить от нескольких источников, в той или иной степени дублирующих друг друга.

Из сказанного выше, следует, что за последние годы, традиционные системы связи и технологии их обслуживания претерпели существенные модернизацион-ные изменения. Внедрение вахтового метода дальнего плавания с длительным отрывом (на 4-8 месяцев) от портов, в частности, от баз технического обслуживания и ремонта судовых радиоэлектронных систем (РЭС), стало нормой. Постепенно стала развиваться новая концепция технической эксплуатации судового радиоэлектронного оборудования навигации и связи, согласно шторой рать радиооператора уменьшается или даже сводится к нулю, а функции обслуживания передаются совместителям (операторам-судоводителям). Эта глобальная мировая тенденция является отражением не только рыночных механизмов получения высокой прибыли судовладельцами (за счёт сокращения штата судовых команд), но и в значительной степени успехов производителей оборудования мореной навигации и радиосвязи, много порядка во повысивших за последние 50-60 лет надежность этой аппаратуры и сделавших принципиально возможными большинство длительных дальних по-

ходов без квалифицированного технического обслуживания РЭС.

Таким образом, отличительная новизна в техническом обслуживании РЭС на морском флоте затрагивает, прежде всего, оборудование при длительном автономном плавании судов в морских районах дальнего плавания (А3-А4). Целью настоящего исследования является детальный анализ средствами теории надежности и теории марковских процессов такого повышения надежности комплекса судовых средств радиосвязи, которое обеспечило бы необходимую их надёжность для безопасного мореплавания в морских районах А3-А4 с автономностью плавания 4-8 месяцев при оперативном техническом обслуживании операторами-судоводителями (с ограниченной квалификацией в области радиоэлектроники). Разработка нами более полных методов анализа надежности сложных радиоэпек-тр иных систем, учитывающих большее число факторов и условий эксплуатации, позволяет с большей точностью спрогнозировать возможные отказы и предусмотреть все необходимые меры обеспечения требуемого высокого уровня надежности сложных радиоэлектронных систем, что в свою очередь уменьшает время их простоя из-за утраты работоспособности и, как следствие, снижает ущерб от аварийности на морском транспорте.

Важность функций, выполняемых судовыми средствами связи, приводит к необходимости априори (до начала рейса) обеспечить высокий уровень надежности радиоэлектронных систем на весь рейс, что, как было отмечено выше, особенно важно при длительном плавании судов (в морских районах А3-А4), когда невозможно полномасштабное береговое техническое обслуживание судовых радиоэлектронных средств связи вследствие того, что судно не заходит в порты, или когда районы плавания не имеют соответствующих центров сервисного обслуживания аппаратуры иностранных производителей и, тем более, российского производства. Это, в частности, касается судов с большой валовой вместимостью (свыше 300 тыс.тонн), вход которых в большинство морских портов мира ограничен глубинами и стесненностью акваторий, что приводит к увеличению времени нахождения судовых РЭС без квалифицированного технического обслуживания. Нельзя забывать, что в морских условиях эксплуатации радиооборудование изнашивается более быстрыми темпами по сравнению с береговым оборудованием. В связи с этим, длительность эксплуатации супового оборудования связи может существенно превышать значение наработки на отказ, указанное в технической документации; это вызывает рост вероятности возникновения отказов в процессе длительной эксплуатации, который обычно не учитывается при планировании системы технической эксплуатации данного оборудования, основанном на традиционных методах анализа надежности.

При разработке модели эксплуатационной надежности судовых РЭС связи в длительном автономном плавании мы сталкиваемся с необходимостью учета надежности не только собственно технических средств (РЭС), но и надежности по-новому складывающейся системы технической эксплуатации, осуществляемой без выполнения традиционных ремонтных процедур, доступных только радиооператорам первого класса. Эксплуатация судовых РЭС операторами-судоводителями предполагает принципиально иной подход к восстановлению работоспособности РЭС, не похожий на традиционный ремонт. Эти технологии стали возможными лишь в

последние десятилетия в связи с успехами модульной и микромодульной компоновки радиоаппаратуры и развитием техники больших интегральных схем (БИС). Их внедрение в технологии массового технического обслуживания РЭС позволяет заменить традиционные ремонтные работы, выполняемые радиопрофессионалами, процедурами полуавтоматического и автоматичесюго восстановления работы РЭС, заключающимися в замене тех или иных модулей; необходимость и адрес замены при этом подсказывается соответствующими диагностическими системами, встроенными в судовой комплекс РЭС, и тест-таблицами. Это обеспечивает возможность снижения необходимого уровня квалификации оператора, ответственного за восстановление работоспособности РЭС, ограничивает непосредственно живое участие оператора-судоводителя в поиске неисправности, в нахождении нужного решения и восстановлении утраченной работоспособности РЭС. Выражаясь в терминах теории массового обслуживания, необходимый рост надежности РЭС достижим методами резкого сокращения времени восстановления отказавшего узла РЭС путем перехода на интеллектуальные системы самовосстановления РЭС. Однако, чтобы обеспечить внедрение таких методов повышения надежности РЭС на морском флоте, необходимо пересмотреть и перестроить технологии их обслуживания и эксплуатации.

Объект исследования - судовые радиоэлектронные средства связи в условиях дальнего плавания в морских районах Ау-А».

Предмет исследования - эксплуатационная надежность судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного плавания.

Цель исследования:

- анализ факторов, влияющих на надежность РЭС, и причин проявления отказов судового радиоэлектронного оборудования связи и навигации (на основе данных об эксплуатации РЭС на судах крупной шипинговой компании);

- минимизация числа отказов судовых РЭС в процессе их длительной эксплуатации;

- системный подход к обеспечению технической эксплуатации судовых РЭС связи (обоснование профилактического обслуживания и замен, а также норм на запасные модули).

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- проведен статистический анализ причин и значимости отказов судового конвенционного радиооборудования связи и навигации (на основе данных об эксплуатации РЭС на судах крупной шипинговой компании);

- разработана методика анализа влияния постепенных отказов на надежность судового радиоэлектронного оборудования связи в условиях длительного плавания с помощью применения модели неоднородных марковских процессов;

- составлены структурные надежностью схемы судовых РЭС связи, на основе которых исследовано изменение вероятности их безотказной работы от длительности плавания с учетом широюэго диапазона знэтений потоков (скоростей) восстановления утраченной работоспособности и нестационарной интенсивности отказов;

- оптимизировано число запасных модулей по вероятности достаточности, обеспечивающее безотказную работу судового радиоэлектронного оборудования связи в длительных рейсах;

- разработана методика регламентации профилактического обслуживания

судовых радиоэлектронных средств связи в специфических для морской практики условиях длительного плавания.

Научная достоверность и обоснованность результатов Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, <по все теоретические исследования и практические реализации основаны на использовании известных методических принципов современной щуки (теорем, загонов, методов). В диссертационной работе использованы теория марковских процессов, теория случайных процессов, теория вероятностей, теория массового обслуживания, оптимизация функций, численные методы. Использована статистическая база данных об отказах судовых РЭС связи и навигации.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что рассмотрены вопросы анализа и обеспечения надежности судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного автономного плавания, когда период эксплуатации РЭС превышает значение наработки на отказ. В частности, разработана методика учета постепенных отказов судовых радиоэлектронных средств, возникающих в процессе их старения и износа при длительной эксплуатации. Полученные результаты используются в работе судовой компании "Новошип", в учебном процессе, дипломном проектировании и аспирантской работе Мореной государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Апробаиия работы. Основные результаты диссертации докладывались на региональных научно-технических конференциях и семинарах в МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова в 2000-2005 гг. и на международной научной конференции "Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании" (пПенза) в 2003 г.

Публикации Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована автором в 9 работах Сборника научных трудов МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск) и Материалах международной научной конференции, проходившей в г.Пенза, а также в монографии, написанной с соавторами. Две работы опубликованы в изданиях списка ВАК.

Личный вклад в научные разработки, защищаемые в диссертации, определяющий, т.к. основные научные результаты получены лично автором, а остальная часть - в соавторстве с научными сотрудниками кафедры "Радиосвязь на морском флоте" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

На защиту выносятся:

1. Анализ причин и значимости отказов судового конвенционного радиооборудования связи и навигации по статистическим эксплуатационным данным крупной судовладелтнесной компании ОАО "Новошип" (г. Новороссийск).

2. Результаты исследования зависимости вероятности безотказной работы от длительности эксплуатации на основе надежностных схем судовых РЭС связи с восстановлением работы после отказа в широкой области потоков (скоростей) восстановления.

3. Методика анализа надежности судового радиоэлектронного оборудования связи в условиях длительного плавания с помощью модели неоднородных марковских процессов, учитывающей поток внезапных отказов и влияние процессов старения и износа оборудования при длительности эксплуатации, превышающей значение наработки оборудования на отказ.

4. Методика организации системы технического обслуживания судовых РЭС связи, оптимизирующая число запасных модулей и регламент профилактического обслуживания, обеспечивающая безотказную работу судового радиоэлектронного оборудования связи в течение длительного рейса (4-8 месяцев).

Содержание работы

Во введении в диссертацию обоснована актуальность темы исследования, сформулированы пивная и частные научные и практические задачи. Достигнутый на стадии конструирования и изготовления уровень надёжности радиоэлектронного оборудования в значительной степени определяет эффективность его применения для обеспечения безопасности мореплавания; отмечено, что основное снижение эффективности, т.е. качества выполняемых функций, в процессе эксплуатации связано с должным неучетом понижения надёжности РЭС [8,9]. Исходя из того, что этап эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры на судах, совершающих длительные рейсы (4-8 месяцев), часто охватывает период времени, превышающий значение средней наработки на отказ, снижающегося под влиянием различных внешних факторов и быстрого физического износа, характерных для неблагоприятных морских условий функционирования (влажность, вибрации, температура и др.), может произойти изменение уровня свойств (знанений выходных параметров под воздействием внешних факторов), определяющих качество радиоэлектронной аппаратуры и эффективность её функционирования [10].

В связи со сказанным выше, проблема повышения уровня надёжности судовой радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время является актуальной. Решение этой задачи основано на применении методов теории надежности, позволяющих определить количественные характеристики устойчивой работы рассматриваемой системы, на основе которых разрабатывается процесс технической эксплуатации, т.е. решается задета выбора номенклатуры и периодичности проведения мероприятий по обеспечению требуемого уровня надежности судовых РЭС. Современная теория надежности основывается на методах теории вероятностей и случайных процессов, математической логики, теории массового обслуживания и др.[3,4]. Расчёты показателей надежности основаны на том, что при определенной структуре системы и имеющемся законе распределения наработки на отказ существуют вполне определенные зависимости между показателями надежности отдельных элементов и надежности системы в целом. Важно только, чтобы выбранная модель анализа надежности адекватно отображала функционирование системы в реальных условиях с точки зрения исследуемых свойств.

Полученные на стадии проектирования системы количественные показатели надежности позволяют сформулировать требования к надежности вновь разрабатываемой аппаратуры, выбрать наиболее подходящий вариант структуры, сравнивать надежность различных элементов и оценивать их влияние на надежность всей системы, рассчитывать сроки службы, необходимое число запасных элементов, выбрать меры по повышению надежности (резервирование, техническое обслуживание, ремонт и др.). Вследствие того, что проводить эксперименты и натурные испытания систем обеспечения безопасности мореплавания с целью получения вероятностных характеристик надежности в большинстве случаев невозможно или нецелесообраз-

но по ряду причин: экономических, временных, разрушающих целостность систем, то, как правило, для эпгих целей применяют посгфакшрные методы математического моделирования реальных систем, позволяющие анализировать как физические процессы, происходившие в исследуемом объекте, так и состояния исследуемого объекта в каждый момент прошлого времени.

Исходя из того, что в процессе функционирования техническая система, с точки зрения надежности, проходит три периода [4,10]: приработки, нормального функционирования и старения и, учитывая то, что элементы радиоэлектронных систем имеют большое значение наработки на постепенный отказ (старение и физический износ оборудования происходят значительнее позже, чем происходят внезапные отказы или моральное устаревание), для РЭС оправдано и широко применяется гипотетическое предположение экспоненциального распределения времени наработки системы до отказа, что соответствует периоду нормальной эксплуатации, на котором в основном в системе происходят внезапные отказы; это значительно упрощает модель анализа надежности внутри интервала наработки на отказ[11]. Однако, сложность взаимодействия элементов сложных систем и изменение их свойств во времени вследствие эксплуатационных нагрузок приводят к необходимости применения методов анализа эксплуатационной надежности, которые учитывают наличие взаимосвязи между большим числом факторов, определяющих поведение рассматриваемой системы в процессе ее эксплуатации в реальных условиях, а также изменения во времени свойств системы и внешней среды. Кроме этого, необходимость учета результата действия внешних случайных факторов и участия в эксплуатации системы людей, является ещё одной причиной неопределённости поведения системы в цепом. В этом случае нужен иной подход к изучению огказносги сложных систем, для которых оказываются неприменимыми традиционные, как правило, при-кцдочные или ориентировочные методы анализа надежности, основанные на поочерёдном изучении отдельных черт системы или отдельных явлений по сильно упрощенным алгоришам исследования объекта.

Таким образом, аналитическая предпосылка диссертации вскрывает актуальность поставленной цели, прежде всего в том, что наряду с констатацией больших успехов в культуре производства РЭС, достигнутых за последние десятилетия, обнаруживается отставание в организации по-новому методов технического обслуживания сильно усложнившихся судовых РЭС связи операторами-судоводителями, совмещающими функции радиооператора.

В первой главе рассматриваются существующие судовые радиоэлектронные средства связи и радионавигации. Рассмотрены нормативные требования к радиоэлектронному обеспечению судов, приведенные в "Правилах по оборудованию морских судов" Российского Морского Регистра Судоходства, главе IV СОЛАС74, а также соответствующих Резолюциях, принятых Международной морской организацией.

Так, с 1999 года всем судам, валовой вместимостью 300 регистровых тонн и более, а также пассажирским судам, совершающим международные рейсы, надлежит иметь оборудование Глобальной системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ), а с 2005 года - всем без исключения, в том числе и кораблям ВМФ [1,2]. Основными функциями оборудования ГМССБ явля-

кггся непрерьшное наблюдение на частотах бедствия и связи при спасательных операциях на море, определение географических координат и государственной принадлежности терпящих бедствие подвижных объектов (судов, самолетов и др.), передача мореплавателям, находящимся в прибрежных районах, навигационной и метеорологической информации по безопасности мореплавания, а также передана навигационной и метеорологической информации и информации по поиску и спасанию в удаленные районы моря. Эффективность использования ГМССБ оценивается повышением уровня безопасности мореплавания и охраны человеческой жизни на море. Являясь сегодня одной из основных систем, предназначенных для выполнения указанных задан, оборудование ГМССБ позволило на морских судах и береговых радиостанциях перейти на автоматизированный способ приема сигналов бедствия, повысить достоверность и оперативность связи [1].

Важным для обеспечения безопасности судовождения является внедрение на флоте новых глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и НАВСТАР (GPS). С их помощью каждое судно, имеющее приемную аппаратуру, может в любое время и в любой точке мирового океана знать свое место с точностью 50-100 м, что соответствует требованиям стандарта точности судовождения. При дополнении этих систем специальными наземными дифференциальными станциями, использующими связные радиоканалы, точность может быть повышена до 5-10 м, что позволит безопасно передвигаться в узкостях и на акваториях морских портов, где точность, обеспечиваемая судовыми PJIC, недостаточна.

Кроме этого, в соответствии с правилом V/19 Международной конвенции по безопасности жизни в море (CQJ1AC 74) все суда свыше 300 тонн, совершающие международные рейсы, и все пассажирские суда независимо от размера должны быть оснащены оборудованием автоматизированной идентификационной системы (АИС), использующей радиосвязь. С помощью АИС осуществляются автоматическая идентификация судов, прием и передача навигационной (координаты, курс, скорость, скорость поворота и т.д.), маршрутной или рейсовой (пункт назначения, ожидаемое время прибытия, тип груза) и статической (название и позывной судна, габариты и осадка судна, положение антенны) информации, выдача этой информации для отображения на дисплее АИС и электронных картах, а также получение координат судна и параметрах его движения от внешнего источника (ГНСС), в том числе с использованием дифференциального режима.

Соответствующий комплекс судового радиооборудования связи и навигации представлен на рис.1. Сделан вывод о том, что комплекс судового радиоэлектронного оборудования связи и навигации, представляет собой сложную систему, состоящую из разнородных элементов, которые каждый в отдельности выполняют -предельно ответственные функции, а потому должны быть предельно надежными. Однако, как в любой сложной технической системе, возможны выходы из строя элементов, которые включают также случаи несоответствия параметров начальным техническим требованиям.

Так, по данным МорСвязьКонсалганг от 22 июня 2005 г.: "...даже очень короткий анализ задержания судов английскими морскими властями с декабря 2004 года по июнь 2005 года показывает; что среди ... причин задержания достаюч-

но много относящихся к судовому радиооборудованию. Перечислим только некоторые го них: спутниковый аварийный радиобуй в нерабочем состоянии; ПВЛСВ радиоустановка в нерабочем состоянии; УКВ и Стандарт-С не переходят на аварийный источник питания; резервный источник питания не работает; оборудование НАВТЕКС постоянно печатает "Готовность" и не возвращается в состояние "Ожидание"; Стандарт-С не работает от резервного источника питания..."

Рис 1 Судовые радиоэлектронные средства связи и навигации

В диссертации был проведен анализ статистических данных отказов конвенционного оборудования связи и радионавигации на судах балансового флота крупной судовладельческой компании ОАО "Новошип" (Новороссийск) и судах под операгорством "ИоуозЫр ЦК" (Лондон) за 2002-2004 гг., результаты которого представлены на рис. 2.

ГМССБ РЛС СНС Транслорд ер

Рис 2 Отказы конвенционного оборудования связи и радионавигации на судах балансового флота ОАО "Новошип" и судах под операгорством "Лоуойир ШС" за 2002-2004 гг Кроме этого, проведен анализ степени важности указанных отказов, т.е. непосредственного влияния на безопасность мореплавания (по троичной классификации судовладельческой компании), который показал, что 35% выходов из строя носит степень важности "критически важное", а 45% - "средней степени" и только 20% "терпит взвешенного решения" по устранению дефектов работы.

Проведенный статистический анализ причин выходов из строя рассматриваемого радиооборудования показал, что к аппаратурным отказам, т.е. отказам, связанным со структурой системы и снижением надежности ее элементов, в 13% случаев приводят скрытые заводские дефекты, в 45% случаев - действия внешних дестабилизирующих факторов, таких как нестабильность питания, тепловые воздействия, рост влажности, перепады давления, качка и др., неквалифицированная эксплуатация - в 15% случаев; деградационные процессы старения и из-

носа или выработка ресурса - в 27% случаев.

К информационным относятся отказы, возникающие по причинам, связанным с датчиками информации и вычислительными устройствами обработки информации (сбои аппаратуры и ошибки программного обеспечения, а также по причине неблагоприятных метеоусловий). Анализ статистических данных отказов судового оборудования связи и радионавигации показал, что информационные отказы наиболее характерны для оборудования автоматической идентификационной системы и спутниковой связи. Они проявляются в виде тех ошибок, которые были допущены при разработке программного обеспечения и не выявлены при его тестировании. Однако, они также могут приводить к потере работоспособности рассматриваемого устройства. Характерной чертой информационных отказов, связанных со сбоем программного обеспечения, является то, что их частота не растет со временем, как в случае аппаратурных (структурных) отказов; более того частота информационных отказов может уменьшаться в результате их обнаружения и своевременного устранения, поскольку исключение ошибки программного обеспечения гарантирует, что она больше не появится. Кроме того, эффективность использования судовой станции АИС для целей предотвращения столкновений судов во многом определяется надежностью и оперативностью работы оператора и зависит от его компетентности, ответственности, внимания, уровня усталости и др.

Таким образом, в первой главе на основе анализа существующих судовых радиоэлектронных средств связи и навигации и результатов обработки статистики их отказов в процессе эксплуатации на судах ОАО "Новошип", сделан вывод о необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению требуемого уровня надежности судовых РЭС при плавании в длительных рейсах, поскольку время эксплуатации судовых радиоэлектронных систем связи часто значительно превышает ограниченную наработку на отказ.

Во второй главе выполнен выбор и обоснование марковской модели анализа надежности судовых радиоэлектронных средств связи. Аппроксимация процесса функционирования сложной морской радиоэлектронной системы марковским случайным процессом с дискретными состояниями и непрерывным временем основывается на гипотетическом предположении о том, что основной причиной наиболее вероятных отказов следует считать неблагоприятное сочетание внешних воздействий окружающей среды. Как известно из теории надежности, отказы, обусловленные воздействием неблагоприятного сочетания внешних факторов, являются вне-запными[3]. В технических системах, как показывает статистический анализ отказов, большинство внезапных отказов происходят приблизительно с постоянной интенсивностью (средним числом отказов в единицу времени) на всем периоде эксплуатации. Это означает, что вероятность безотказной работы объекта, подверженного таким отказам, описывается экспоненциальным законом, а процесс изменения состояний подсистем может быть описан марковским случайным процессом с непрерывным временем и дискретными состояниями.

Вероятностями состояний технической системы являются вероятности состояний марковского процесса, описывающего его эволюцию во времени. Для

вероятностей реализации состояний (обозначим их общее число т) существует система т обыкновенных линейных дифференциальных уравнений (уравнения Ксшмогорова-Чепмена) первого порядка, результатом решения которой при анализе сложных систем являются зависимости вероятностей состояний процесса от времени эксплуатации или в стационарном режиме - коэффициент готовности системы. При этом правильность такого описания процесса технической эксплуатации и количество т решаемых уравнений зависят от определения понятия состояния технической системы. Подавляющая масса современных радиотехнических систем, включая морские системы связи, обладает свойством блочности, поэтому в дальнейшем состояния марковского процесса будем характеризовать числом отказавших блоков или подсистем. Если каждому возможному множеству работоспособных (или отказывающих) элементов поставить в соответствие множество состояний системы, то отказы и восстановления элементов будут отражаться переходом объекта из одного состояния в другое. Системы с непрерывным временем предполагают, что переход системы из одного состояния в другое может осуществляться в любой момент времени, т.е. время пребывания системы в каждом состоянии представляет собой непрерывный случайный интервал &. Система дифференциальных уравнений Колмогорова-Чегтмена для вероятностей реализаций состояний ординарного дискретного марковского процесса имеет вид [3]:

^-±сМ) рМЬ±1Л) Р,% < = 1Д..,«, (1)

и» г=0 I*

11

где с, (г) - интенсивности ухода из состояния 5„ интенсивности переходов между состояниями 5, и 5,, Р, {¡) = р(г\5,) - вероятность того, что в момент времени (>{в процесс будет находиться в состоянии Б,.

В таи случае, когда коэффициенты уравнений Колмогорова (интенсивности переходов) не зависят от времени, имеет место однородный марковский процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем, т.е., как было отмечено выше, имеют место простейшие стационарные потоки {Щ/^АигсопЯ} отказов и восстановления, для которых перенос начала отсчета времени функционирования системы не меняет сущности дела.

В реальных условиях функционирования радиоэлектронных систем отказы аппаратуры определяются, как правило, отказами элементов, происходящими как в результате воздействия внешних неблагоприятных факторов, так и в результате старения и износа. Особенно это характерно для морского радиооборудования, так как действие дестабилизирующих факторов на скорость изменения определяющих параметров на судах значительнее, чем в береговых условиях эксплуатации. Поэтому актуально в этой работе рассмотреть их совместное действие на надежность морских систем радиосвязи. В таком случае закон надежности будет существенно отличен от экспоненциального и для анализа надежности необходимо использовал, более общую модель марковских неоднородных процессов. Динамика перехода системы из одного состояния в другое теперь будет описываться системой дифференциальных уравнений Колмогорова с переменными коэффициентами (сменяемыми через интервалы времени А1 интенсивностями отказов, при А! много меньше времени наработки на отказ), т.е. имеет место нестационарная область зависимости ин-

тенсивности отказов от времени {Л-характеристики: А,(1)Фсот1].

Процесс старения технических систем определяется внутренними физическими процессами, такими как старение, нагрузочная усталость и т.д. В теории надежности [3,11] процессы старения и связанные с ними постепенные отказы описываются нормальным законом, характеризуемым монотонно возрастающей функцией интенсивности отказов, в отличие от внезапных, которые, как было рассмотрено выше, описываются экспоненциальным законом с постоянной интенсивностью отказов. Нормальное распределение является наиболее важным, как это следует из центральной предельной теоремы теории вероятностей [3], согласно которой распределение суммы независимых случайных величин стремится к нормальному закону при увеличении их количества в произвольном распределении отдельных слагаемых, обла- V дающих конечной дисперсией. Так как реальные физические явления часто представляют собой результат суммарного воздействия многих независимых факторов, то нормальное распределение является для них хорошим приближением.

Суммарную интенсивность отказов системы, возникающих из-за дестабилизирующего действия внешних (внезапных) факторов и "постепенно" действующих старения и износа, в силу допущения их независимости можно представить в виде:

где Т0- средняя н^заботка на отказ, <т - среднеквадрагичесмэе отклонение наработки на отказ; Л^) - поток внезапных отказов; Р(х) - интегральная функция Лапласа

! ЛО), I час

Рис 3 Зависимости суммарной интенсивности внезапных и постепенных отказов системы от времени' 1 - среднеквадратичесяое отклонение 20% от Га, 2 - среянеквадратичесиое отклонение 30% от Г„; 3 - среднеквадратичесяое отклонение 10% от Т„ Таким образом, для анализа надежности судовых радиоэлектронных средств связи при совместном проявлении постепенных и внезапных отказов, необходимо перейти к неоднородным марковским процессам, переменные параметры (интенсивности переходов) которой задаются формулой (2).

Вследствие высококачественного производства микроэлектронной техники, математическое ожидание средней наработки по постепенным отказам близко к 7'0=1/Х0. Среднеквадратическое отклонение среднего времени безотказной работы по постепенным отказам (старение, износ, деградация) по определяющему параметру (в данном случае Т0) для береговой техники находится в преде-

лах 5-10% и для судовой - 10%-30%[Щ.

В соответствии с выбранной математической моделью марковского процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем, а также с учетом признака состояния: числа отказавших блоков в системе, составлены надежностные схемы рассматриваемых судовых радиоэлектронных средств связи на основе приведенных здесь блок-схем. На рис.4, приведена блок-схема одного из вариантов технической реализации судовой УКВ-радиоустановки SAILOR, разработанной и выпускаемой датской компанией S.P.Radio A/S, которая соответствует конвенционным требованиям Резолюции ИМО А.803(17), принятой 23 ноября 1995 г., а также правил IV/7-10 СОЛАС'74. Как видно из приведенной блок-схемы, УКВ-радиоустановка ГМССБ состоит из двух основных устройств: радиотелефонной станции, обеспечивающей прием сигналов других радиостанций и формирование сигналов для передачи информации, и терминала ЦИВ, состоящего из кодирующего устройства ЦИВ и приемника наблюдения за ЦИВ, который ведет постоянное наблюдение на 70 канале (156,525 МГц). Источники электрической энергии должны обеспечивать бесперебойное электропитание радиоустановки, поэтому предусмотрены, кроме питания оборудования от судовой электросети (220 В, 50 Гц), аварийный источник питания (аккумуляторные батареи) и переключение на резервный источник питания при пропадании напряжения электросети.

Рис 4 Блок-схема суповой УКВ-радиоустановки SAILOR Как видно из рис.4,УКВ-радиоустановка состоит из отдельных конструктивно оформленных модулей, выход из строя каждого из которых, кроме резервированных источника питания и органов управления и индикации, приводит к отказу всей системы, следовательно, надежностная схема судовой УКВ-радиоустановки ГМССБ имеет вид, представленный на рис.5.

Радиотелефонная станция

zhzzm

1срм|шал УКВ ЦИВ

Рис 5 Структурная надежностная схема судовой УКВ-радиоустановки ГМССБ

На рис.6, приведена блок-схема ПВ/КВ-радиоустановки SAILOR, соответствующая требованиям Резолюции А.806(17) Международной морской организации, а также правил IV/7-10 СОЛАС74, которая для судов района плавания Aj-Aj состоит из следующих различных по надежности устройств: кодирующего устройства ЦИВ, приемника наблюдения за ЦИВ (для несения непрерывной вахты не менее чем на трех частотах), радиотелефонной станции (радиоприемник телефонии и УБГТЧ, радиопередатчик телефонии, ЦИВ и УБГТЧ), буквопечатающей аппаратуры повышения верности, оконечного устройства буквопечагания.

В соответствие с требованиями РМРС к минимальному составу основного оборудования ПВ/КВ-радиоустановки ГМССБ была составлена структурная надежностная схема, представленная на рис.7. На ней, как и на схеме рис.5, наработка на отказ отдельных модулей имеет значение, значительно превышающее длительность дальнего рейса судна.

М

Т

[и—1

Радиотелефонная столщ RE2I00

Пфеапчпс

з==7

,v

N2161 SAILOR

И"

N2141SAJLOS

Рис б Блок-схема судовой ПВ/КВ-радиоустановки SAILOR

Риилекфонишсшщм

Тфмияпв/квцкв

Рис 7 Структурная надежностная схема судовой ПВ/КВ-радиоустановки ГМССБ Таким образом, в данной главе обоснован выбор марковской математической модели анализа надежности судовых радиоэлектронных средств связи, которая при системном влиянии внезапных и постепенных отказов должна рас-

сматриваться как марковская неоднородная модель с нестационарными интен-сивностями переходов.

В третьей главе выполнен подробный анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи по внезапным отказам с помощью однородных марковских процессов, которые удовлетворительно описывают традиционные системы технического обслуживания РЭС на флоте. В соответствии с выбранной моделью анализа были составлены графы переходов марковского процесса и системы дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена для получения количественных показателей надежности рассматриваемых радиоэлектронных систем (вероятностей состояний марковского процесса, коэффициента готовности), а также зависимостей этих показателей от времени эксплуатации, т.е. зависимость коэффициента готовности от длительности плавания судна.

Результаты ранения системы дифференциальных уравнений (1) для УКВ-радиоустановки и ПВ/КВ-радиоустановки методом Рунге-Кутта, выполненные в математическом редакторе МаШСАШООЗ, представлены на рис.8 в вице временных зависимостей коэффициента готовности РЭС при различных потоках отказности.

Р>с8 Зависимости юэффидаяпа ггтговности УКВ- (а) и ПВ/К&рвдю^тлаютж (5) от времени цж внезап-стазах (без у'егавоагтаноелсшя) 1 - вреж«*а1ат1внаго>сл^т0вал«п0гамнгникх2"врежиме деждоионвйлкдам* (за счет стп^тстшя переговоров па^ 3-вус-

лотк и реэпоиах аотж юфуженюй

С помощью аппроксимации по методу наименьших квадратов временных зависимостей коэффициента готовности рассмотренных РЭС были получены значения средней наработки до отказа. Так средняя наработка УКВ-радиоустановки в режиме активного использования по назначению составляет 2905 час, а для ПВ/КВ-рациоустановки - 1963 час, что соответствует среднему зютению, указанному в технической документации на рассматриваемое оборудование. Видно, что наработка всей системы по внезапным отказам соответствует длительности рейса 3-4 месяца.

Основным методом повышения надежности РЭС в процессе длительной эксплуатации является восстановление работоспособности^], позволяющее обеспечить требуемое значение коэффициента готовности судовых средств радиосвязи 0.999 на весь период длительного плавания (4-8 месяцев). Для оценки влияния параметров восстановления работоспособности, как одного из основных методов повышения надежности системы, на коэффициент готовности рассматриваемых сис-

тем был проведен анализ марковской модели с различными потоками восстановления отказавших блоков; результаты представлены на рис.9. Многопорядювость повышения надёжности с автовосстановлением работоспособности РЭС очевидна из следующего сравнения параметров восстановления. Скорость восстановления при ремонте аппаратуры радиоспециалистами измеряется единицами часов, а скорость восстановления аппаратуры, адаптируемой к работоспособному состоянию полуавтоматической или автоматической системой диагностирования отказов, может измеряться в единицах секунд, а при необходимости может быть выполнена за. миллисекунды и даже микросекунды. Такая оперативность самовосстановления работоспособности РЭС позволяет в принципе обеспечивать очень высокий уровень безотказной работы судовых РЭС навигации и связи в длительном автономном плавании в морских районах А3 и А4 в течении 4-8 месяцев, даже если используются ограниченные возможности операторов-совместителей с низкой квалификацией технической диагностики неисправностей РЭС. Из рис. 9 видно, в частности, что при темпах восстановления отказавших элементов РЭС ~1 мин достигается коэффициент готовности работы РЭС "шесть девяток".

Рис 9 Зависимости коэффициента готовности УКВ-радиоустановки (а) и ПВ/КВ-радиоустановки (б) от времени в режиме активного использования по назначению (с учетом восстановления) 1 - время восстановления отказавшего элемента 1 мин, 2 - время восстановления отказавшего элемента 10 мин, 3 - время восстановления отказавшего элемента I час, 4 время восстановления отказавшего элемента 10 час, 5 - время восстановления отказавшего элемента 100 час, 6 - без восстановления Как показывают результаты обработки статистических данных отказов конвенционного оборудования судовых радиоэлектронных средств связи и навигации, по причине старения и износа оборудования происходит 27% отказов. В соответствии с этим был проведен анализ совместного влияния постепенных и внезапных отказов на надежность системы при условии длительной эксплуатации с помощью неоднородной марковской модели, результаты которого представлены на рис.10. Интенсивности отказов элементов, т.е. коэффициенты системы дифференциальных уравнений (1), при этом задавались в виде (2). Видно, что совместный учет потоков внезапных и постепенных отказов РЭС дает реальную картину низкой надежности работы РЭС без восстановления, явно недостаточной для условий дальнего плавания (время работы системы с вероятностью безотказной работы 0,9 не превышает 100 час).

а) б)

Рис 10 Зависимость коэффициента готовности УКВ- (а) и ПВ/КВ-радиоустановки (6) от времени при внезапных и постепенных отказах I - среднеквадратичесюе отклонение наработки 30% от средней наработки, 2 - среднеквадратическое отклонение наработки 20% от средней наработки, 3 - среднеквадратическое отклонение наработки 10% от средней наработки

Рис.11, иллюстрирует изменение значения средней наработки системы на отказ при различных потоках отказности систем для: внезапных отказов, постепенных отказов, совместного проявления внезапных и постепенных отказов.

а) б)

Рис 11 Зависимость средней наработки УКВ- (а) и ПВ/КВ-радиоустановки (б) на отказ от отношен»» средкекяадратического отклонения наработки на отказ к наработке на отказ {0,1; ОД; 0,3) для постепенных, внезапных и совместном проявления внезапных и постепенных отказов

Кроме этого, проявление в процессе длительной эксплуатации судовых РЭС связи постепенных отказов существенно влияет на эффективность проведения восстановления утраченной работоспособности. Так, из рис.12 видно, что коэффициент готовности при стационарной интенсивности восстановления и нестационарных интенсивностях отказов снижается в среднем на порядок за время эксплуатации 5000-6000 час; это связано с увеличением интенсивности суммарного потока отказов.

а) б)

Рис 12 Зависимость коэффициента готовности УКВ-радиоустановки (а) и ПВ/КВ-радиоустановки (б) от времени при внезапных и постепенных отказах с учетом восстановления при среднеквадратическом отклонении наработки 20% от средней наработки 1 - время восстановления отказавшего элемента 1 мин; 2 - время восстановления отказавшего элемента 10 мин, 3 - время восстановления отказавшего элемента 1 час; 4 - время восстановления отказавшего элемента 10 час, 5 - время восстановления отказавшего элемента 100 час, 6 - без восстановления. Таким образом, в третьей главе сделан вывод о существенном влиянии постепенных отказов на надежность системы, снижающем как среднюю наработку на отказ в среднем на 500-700 час, так и эффективность восстановления работоспособности. В том случае, когда обслуживание системы проводится с периодичностью, не превышающей знанение наработки системы на отказ, это влияние компенсируется путем проведения соответствующего высокопрофессионального технического обслуживания. Традиционный неучет этого снижения времени наработки на отказ судового радиоэлектронного оборудования, обслуживаемого совместителями, приводит к значительным просчетам, ведущим, как правило, в дальних походах к происшествиям, большим экономическим затратам на восстановление отказавших модулей судовых РЭС связи и даже катастрофам - всё по вине человеческого фактора (недооценки требуемого уровня квалификации операторов).

В четвёртой главе предложен подход к оптимизации обязательного числа запасных модулей судового радиоэлектронного оборудования связи с учетом длительности эксплуатации [12,13]. Современная радиоэлектронная аппаратура изготавливается, как правило, в виде модулей и микромодулей, что позволяет восстанав- г ливагь работоспособность всей системы путем замены отказавшего модуля модулем из числа запасных. Расчет числа запасных модулей был произведен исходя из условия, что при наступлении отказа система должна как можно меньше времени простаивать из-за отсутствия соответствующего запасного модуля. При этом следует учитывать, что излишнее число запасных модулей приводит к замораживанию материальных ценностей, что экономически неоправданно. Следовательно, сократить время простоя системы можно путем обеспечения необходимого комплекта резервных (запасных) модулей, обеспечивающих резервирование основных модулей замещением. Зависимость коэффициента готовности от времени для резервированной системы замещением имеет вид [3]:

о)

..1 1-0

тдеп - число основных блоков системы; т,- число запасных модулей к /-ому основному модулю; Р,(0 - вероятность безотказной работы /-ото модуля.

По требованиям РМРС для каждого основного модуля рассматриваемого оборудования предусматривается по одному дублирующему модулю. В соответствии с этим была получена зависимость коэффициента готовности однократно дублированных ПВ/КВ- и УКВ-радиоустановок при учете только внезапных отказов (рис.13]) и внезапных и постепенных откаэовфисЛЗг). Из полученных зависимостей видно, что при достижении времени эксплуатации 5760 час, соответствующего длительности автономного плавания 8 мес, коэффициент готовности снижается до уровня 0,5. Для обеспечения необходимого уровня коэффициента готовности рассматриваемых судовых радиоэлектронных была решена задача выбора такого числа запасных модулей, которое обеспечивало бы уровень коэффициента готовности 0.999 в течение всего рейса. При этом зависимость коэффициента готовности от длительности рейса имеет вид рис.133.

Рис.13. Зависимость коэффициента готовности УКВ- (а) и ПВ/КВ-радиоустановок (б) от времени при: 1 - однократном резервировании модулей и учете только внезапных отказов; 2 - однократном резервировании модулей и учете внезапных и постепенных отказов; 3 - оптимальном числе запасных модулей (при многократном дублировании) и учете внезапных и постепенных отказов.

Опыт эксплуатации морских радиоэлектронных систем показывает, что проведение профилактического обслуживания, состоящего в данном случае в проведении предупредительных замен, снижает интенсивность отказов Л(() до уровня, соответствующего значению интенсивности внезапных отказов, и тем самым повышает безотказность системы[14]. В модели анализа оптимальной периодичности проведение технического обслуживания обозначим я, среднюю стоимость затрат в единицу времени на проведение аварийно-восстановительных работ, т.е. мероприятий по устранению возникших отказов. Введем также среднюю стоимость затрат в единицу времени, связанных с чисто техническим (регламентным) проведением периодического обслуживания судовых радиоэлектронных средств связи, которые не учитываются в 5,[5,6].

На рассматриваемом интервале эксплуатации судовых РЭС связи средние затраты С на техническое обслуживание можно представить суммой затрат из-за отказов рассматриваемых средств и регламентным техническим обслуживанием [15,16]:

С(в) = * Т,-Р{т < в}+х2-т2 ■ Р{т > в}=51т1\\-Р(0)]+^ -Т2 т. (5) Среднее время обновления системы (безотказной работы системы):

Т=ТприШ; Т- впри Т>в. (6)

Математическое ожидание времени обновления системы позволяет выразить средние удельные затраты на техническое обслуживание: С 8,ТГ[1~Р(в))+82-Т!-Р(в)

С^в)'

М\Г'\

\P(t)dí

(7)

Дифференцируя С ¡¿(в) по в и приравнивая производную к нулю, получим следующие уравнение:

5, Т,

— Р(в) +1 - \(в) ■ ¡P(t)dt = 0.

7. _ ----------- , ..... (8)

Решая уравнение (8) относительно в с учетом пришлых на основе экспертных оценок значений 5/, в2, Т1 и Т2, было порчено оптимальное по вероятностному критерию значение периодичности проведение профилактического обслуживания или замен основных модулей запасными, осуществляемых оператором-суцводителем, обеспечивающих минимум затрат на техническое обслуживание судовых РЭС связи при требуемом уровне коэффициента готовности.

т-. 2 1-10*

1-10'' Í-IO"*

\-w' 1-!0'! 1-Ю1

1-ю-

V

& час

2000 4000 6000 8000 а)

1-10' 1-10"" 1-ИГ' 1-I0J 1-10' 1-10*

. \ 4*4

V1

0. час

2000 4000 6000" 8000 б)

Рис 14 Зависимость коэффициента готовности УКВ-радиоустановки (а) и ПВ/КВ-рщиоустановки (б) периодичности проведения профилактического обслуживания: 1 - средне-квадратичесюе отклонение наработки 30% от средней наработки; 2 - среднеквацратичесное отклонение наработки 20% от средней наработки; 3 - среднеквадрагичесюе отклонение наработки 10% от средней наработки; 4 - без проведения профилактического обслуживания

Для судовой УКВ-радиоустановки минимальная периодичность составляет 1571 час, а для ПВ/КВ-радиоустановки 1527 час, что соответствует периодичности в два месяца. Очевидно, что для более длительного плавания, без проведения сервисного обслуживания, одного комплекта запасных модулей недостаточно.

Таким образом, в данной главе показано, что обеспечение судовых радиоэлектронных средств необходимым комплектом запасных модулей, а также проведение предупредительных плановых профилакгик (замен), позволяет поддерживатьт уровень коэффициента готовности на высоком уровне в течение всего рейса (длительностью 4-8 мес).

Заключение и общие выводы

В диссертационной работе решены следующие научные и практические задачи:

- проведен статистический анализ причин и значимости отказов судового радиоэлектронного оборудования связи и радионавигации на основе данных об эксплуатации РЭС на судах крупной компании ОАО "Новошип" (г.Новороссийск);

- разработана методика анализа надежности судовых радиоэлектронных средств в условиях длительного автономного плавания с помощью применения модели неоднородных марковских процессов, учитывающей как воздействие внешних дестабилизирующих факторов, так и процессы старения и износа оборудования;

- получена оценка влияния постепенных отказов элементов судовых РЭС, происходящих вследствие процессов их старения и износа, на значение средней наработки системы на отказ. Установлено, что этот вид отказов оказывает существенное влияние на функционирование судовых РЭС связи при длительности плавания, превышающей значение средней наработки на отказ;

- разработана структура и обоснована модель организации технического обслуживания судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного автономного плавания, когда проведение квалифицированного технического обслуживания и ремонта невозможно. Обоснована необходимость введения структурной избыточности (запасных модулей) с целью повышения надежности судовых РЭС путем сокращения времени восстановления работоспособности и проведения профилактических работ.

Цитированная литература

1. Демьянов В.В., Попов В.В. Научное осмысление опыта создания информационной сети ГМССБ на Юге России. Новороссийск: НГМА, 1999. - 624 с.

2. Судовая радиосвязь: Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ/ Резников В.Ю., Устинов Ю.М., Дуров A.A. и др. Под. общ. ред. докг. техн. наук, проф. Устинова Ю.М. СПб.: Судостроение, 2002. - 480 е., ил.

3. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. - М.: Наука, 1965. - 524 с.

4. Рябинин И.А. Надежность и безопасность сложных систем. // СПб.: Политехника, 2000. - 248 с.

5. Северцев H.A. Надежность сложных систем в эксплуатации и обработке. -М.: Высшая школа, 1989. - 432 с.

6. Дедков В.К, Северцев H.A. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. М.: Высшая школа, 1976 - 406 с.

Список научных трудов, отражающих содержание диссертации

8. Бойко А.И., Карбовец Н.В, Асимптотические вероятности в исследовании сложных систем. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VI. Новороссийск. РИО НГМА. 2001.- 5 с.

9. Бойко А.И., Демьянов В.В. Выбор альтернативы модификации системы управления движением судов в Новороссийском порту с целью снижения риска в морской техносфере. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск IX. Новороссийск. РИО МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова. 2004. - 7 с.

10. Бойко А.И. Анализ работоспособности магнетронного генератора пере-

m ЖЖ'ЬХ

дающего устройства радиолокационной станции СУДС методом дерева отказов. Сборник ночных трудов НГМА. Выпуск IX. Новороссийск. РИО МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова. 2004. - 7 с.

П.Лицкевич А.П., Демьянов В.В., Бойко А.И., Карбовец Н.В. Системная надежность морского радиоэлектронного оборудования. - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2005. -185 с.

12.Бойко А.И., Андрианов О.И. Количественные аспекты организации процесса технической эксплуатации подсистемы Глобальной морской системы связи по бедствию и для обеспечения безопасности. Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки. Спец. выпуск. Проблемы водного транспорта, 4.1. Ростов-на-Дону. РГУ. 2004. - 5 с.

13. Бойко А.И., Андрианов О.И. Особенности организации процесса технической эксплуатации подсистемы Глобальной морской системы связи по бедствию и для обеспечения безопасности. Изв. ВУЗов Сев.-Кавк.региона, сер. "Техн. науки" (Спецвыпуск), 2004. - 7 с.

14.Бойко А.И., Лицкевич А.П. Обобщение задачи определения оптимальных эксплуатационных показателей сложных систем. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VI. Новороссийск. РИО НГМА. 2001. - 3 с.

15. Бойко А.И. Оптимальное управление процессом технической эксплуатации сложных информационных систем. Материалы четвертой новороссийской городской студенческой научной конференции «Студент - наука». Новороссийск. РИО НГМА. 2002.-5 с.

16.Бойко А.И. Оптимальное управление процессом технической эксплуатации сложных морских систем. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VII. Новороссийск. РИО НГМА. 2002. - 5с.

Аннотация

диссертации Бойко А.И. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ СУДОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ПЛАВАНИЯ.

Разработана методика применения модели неоднородных марковских процессов для анализа надежности судовых радиоэлектронных средств связи, учитывающая совместное проявление внезапных и постепенных отказов в процессе длительной эксплуатации, время которой превышает значение средней наработки на отказ. Дана оценка причин и значимости отказов судовых радиоэлектронных средств связи и навигации на основе данных об их эксплуатации на судах крупной судовладельческой компании. Разработана система технической эксплуатации судовых РЭС связи в условиях длительного автономного плавания, осуществляемая оператором-судоводителем, имеющим недостаточную квалификацию для проведения полномасштабного восстановления (ремонта). Обоснован оптимальный комплект запасных модулей и периодичность проведения предупредительных профилактик, обеспечивающие требуемый уровень надежности в течение длительного автономного плавания.

В диссертации, листов 148; рис - 35; табл -7; библиограф, ссылок - 106.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 918. Отпечатано в редакционно-издательском отделе

ФГОУ ВПО «Морская государственная академия им. адм Ф Ф Ушакова» 353918. г Новороссийск, пр. Ленина, 93

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СУДОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ

1.1. Судовые радиоэлектронные средства обеспечения безопасности мореплавания.

1.2. Факторы, влияющие на надежность судовых радиоэлектронных средств связи.

1.3. Краткие выводы по главе.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ АНАЛИЗА СТРУКТУРНОЙ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРВДСГВ СВЯЗИ

2.1. Выбор и обоснование математической модели анализа надежности судовых радиоэлектронных средств связи при внезапных отказах.

2.2. Обоснование неоднородной марковской модели анализа эксплуатационной надежности судовых радиоэлектронных средств связи.

2.3. Структурные надежностные схемы судового радиооборудования ГМССБ

2.3.1. Структурная надежностная схема судовой УКВ-радиоустановки

2.3.2. Структурная надежностная схема судовой ПВ/КВ-радиоустановки

2.4. Краткие выводы по главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ

3.1. Анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи по внезапным отказам.

3.1.1. Анализ структурной надежности УКВ-радиоустановки при внезапных отказах.

3.1.2. Анализ структурной надежности ПВ/КВ-радиоустановки по внезапным отказам.

3.3. Анализ структурной надежности судовых радиоэлектронных средств связи при нестационарных интенсивностях отказов.

3.3.1. Анализ надежности судовой УКВ-радиоустановки при нестационарных интенсивностях отказов.

3.3.2. Анализ надежности судовой ПВ/КВ-радиоустановки при нестационарных интенсивностях отказов.

3.4. Краткие выводы по главе.

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ СУДОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО

4.1. Определение числа запасных модулей для судовых радиоэлектронных средств связи при длительном плавании.

4.2. Профилактическое обслуживание судового радиоэлектронного оборудования связи.

4.3. Краткие выводы по главе.

Актуальность проблемы. На сегодняшний день морской транспорт является составной частью мировых трансконтинентальных и интермодальных транспортных коридоров, обеспечивающих экономическую интеграцию стран в мировом сообществе, занимая третье место по грузообороту после железнодорожного и трубопроводного транспорта. Он оказывает существенное влияние на экономику России, так как является полноправным участником мирового рынка транспортных услуг и осуществляет крупномасштабные (по тоннажу и дальности) перевозки при более низких ценах по сравнению с другими способами транспортировки. Интенсификация использования морского флота приводит как к увеличению его численности, так и к росту интенсивности судоходства на морских путях, а особенно в узкостях, на подходах к морским портам и на их акваториях. В связи с этим последние двадцать лет морской транспорт захватили глобалистские мировые процессы модернизации и унификации систем обеспечения безопасности мореплавания (систем радиосвязи, навигации, экологической и пожарной безопасности и т.д.). В 1990-х годах эти процессы охватили развёртывание мировой Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ), основной задачей которой является обеспечение морского транспорта радиосвязью во всех морских районах плавания[1].

Так, с 1999 года всем судам, валовой вместимостью 300 регистровых тонн и более, а также пассажирским судам, совершающим международные рейсы, надлежит иметь оборудование Глобальной системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ), а с 2005 года — всем без исключения, в том числе и кораблям ВМФ. Основными функциями оборудования ГМССБ являются непрерывное наблюдение на частотах бедствия и связи при спасательных операциях на море, определение географических координат и государственной принадлежности терпящих бедствие подвижных объектов (судов, самолетов и др.), передача мореплавателям, находящимся в прибрежных районах, навигационной и метеорологической информации по безопасности мореплавания, а также передача навигационной и метеорологической информации и информации по поиску и спасанию на удаленные районы моря. Эффективность использования ГМССБ оценивается повышением уровня безопасности мореплавания и охраны человеческой жизни на море. В настоящих условиях ГМССБ является одной из основных систем, предназначенных для выполнения указанных задач. Кроме того, это оборудование обеспечивает автоматизированный способ приема сигналов бедствия на морских судах и береговых радиостанциях и повышает достоверность и оперативность связи.

Важным фактором при обеспечении безопасности мореплавания является точность определения местоположения судна, в связи с этим осуществляется внедрение на морском флоте новых глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и НАВСТАР (GPS). С их помощью каждое судно, имеющее приемную аппаратуру, может в любое время и в любой точке мирового океана знать свое место с точностью 50-100 м, что соответствует требованиям стандарта точности судовождения [2]. При дополнении этих систем специальными наземными дифференциальными станциями точность может быть повышена до 5-10 м, что позволит безопасно передвигаться в узкостях и на акваториях морских портов, где точность, обеспечиваемая судовыми радиолокационными станциями (PJIC), недостаточна.

Кроме этого, в соответствии с правилом V/19 Международной конвенции по безопасности жизни на море (COJIAC74) все суда свыше 300 тонн, совершающие международные рейсы, и все пассажирские суда независимо от размера должны быть оснащены оборудованием автоматизированной идентификационной (информационной) системы (АИС)[1,3]. С помощью АИС осуществляются автоматическая идентификация судов, прием и передача навигационной (координаты, курс, скорость, скорость поворота и т.д.), маршрутной или рейсовой (пункт назначения, ожидаемое время прибытия, тип груза) и статической (название и позывной судна, габариты и осадка судна, положение антенны) информации, выдача этой информации для отображения на дисплее АИС и электронных картах, а также получение координат судна и параметров его движения от внешнего источника (ГНСС), в том числе с использованием дифференциального режима.

Исходя из сказанного выше, следует, что существующая на сегодняшний день тенденция ведет к дальнейшему увеличению числа судовых радиоэлектронных средств, а также к росту их технической сложности. В свою очередь, сложность, ответственность и уникальность задач, решаемых радиоэлектронной аппаратурой на морском транспорте в настоящее время, определяют к ним высокие требования, важная роль среди которых принадлежит количественным требованиям по надёжности [4,5]. Это связано с тем, что отказ одного из рассматриваемых технических устройств зачастую может привести к катастрофическим последствиям. В большей степени это касается судовых радиоэлектронных средств связи, так как навигационное оборудование, как правило, на судне имеет многократное информационное и структурное резервирование, т.е. навигационную информацию можно получить от нескольких источников, в той или иной степени дублирующих друг друга. И поскольку ГМССБ состоит не только из судового оборудования связи, но из большого числа береговых станций, объединенных в единую сеть, то безотказность работы всей системы зависит от надежности каждой подсистемы, в том числе и судовой, и выход её из строя приводит к ненадежному функционированию всей сети ГМССБ, что в свою очередь может привести к несвоевременным оповещению о бедствии и организации поисково-спасательной операции.

Уровень надёжности радиоэлектронного оборудования, достигнутый на стадии конструирования и изготовления, в значительной степени определяет эффективность применения его в системах обеспечения безопасности мореплавания, при этом основное снижение эффективности, т.е. качества выполняемых функций, в процессе эксплуатации связано с понижением надёжности. Исходя из того, что этап эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры охватывает длительный период времени, то под влиянием различных внешних факторов, а также быстрого физического износа, вследствие неблагоприятных морских условий функционирования (влажность, вибрации, температура и др.), может произойти изменение уровня свойств (значений выходных параметров), опре деляющих качество радиоэлектронной аппаратуры и эффективность их функционирования [5].

Так, по данным МорСвязьКонсалтинг от 22 июня 2005 г.: ".даже очень короткий анализ задержания судов английскими морскими властями с декабря 2004 года по июнь 2005 года показывает, что среди . причин задержания, достаточно много относящихся к судовому радиооборудованию. Перечислим только некоторые из них: спутниковый аварийный радиобуй в нерабочем состоянии; ПВ/КВ-радиоустановка в нерабочем состоянии; УКВ и Стандарт-С не переходят на аварийный источник питания; резервный источник питания не работает; оборудование НАВТЕКС постоянно печатает "Готовность" и не возвращается в состояние "Ожидание"; Стандарт-С не работает от резервного источника питания."

Таким образом, проблема повышения уровня эксплуатационной надёжности судовой радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время является актуальной. Решение этой задачи основано на применении методов теории надежности, позволяющих определить количественные характеристики надежности рассматриваемой системы, на основе которых разрабатывается процесс технической эксплуатации, т.е. решается задача выбора номенклатуры и периодичности проведения мероприятий по обеспечению требуемого уровня надежности [6,7]. В процессе эксплуатации сложных технических систем важно знать, каким запасом надежности обладает система, какова роль обслуживающего персонала в деле поддержания надежности на приемлемом уровне, какие блоки, узлы, элементы системы работают наиболее ненадежно и требуют проведения в централизованном порядке предупредительных замен, регулировок или доработок. Современная теория надежности основывается на методах теории вероятностей и случайных процессов, математической логики, теории массового обслуживания и др.[6,7]. Расчёты основных показателей надежности, основаны на том, что при определенной структуре системы и имеющемся законе распределения наработки на отказ существуют вполне определенные зависимости между показателями надежности отдельных элементов и надежности системы в целом. При этом выбранная модель анализа надежности должна адекватно отображать функционирование системы в реальных условиях с точки зрения исследуемых свойств. На стадии проектирования системы полученные количественные характеристики надежности позволяют сформулировать требования к надежности вновь разрабатываемой аппаратуры, выбрать наиболее подходящий вариант структуры, сравнивать надежность различных элементов и оценивать их влияние на надежность всей системы, рассчитывать сроки службы, необходимое число запасных деталей, выбрать меры по повышению надежности (резервирование, техническое обслуживание и ремонт и др.). В процессе эксплуатации принято говорить об эксплуатационной надежности системы [6,7], под которой понимают свойство системы безотказно работать в течение определенного интервала времени в заданных условиях эксплуатации при соблюдении установленных правилами технической эксплуатации (ПТЭ) мер технического обслуживания и текущего ремонта. Вследствие того, что проводить эксперименты и натурные испытания систем обеспечения безопасности мореплавания с целью получения вероятностных характеристик эксплуатационной надежности в большинстве случаев невозможно и нецелесообразно по многим причинам: экономическим, затратам времени, а также нарушения функционирования систем, то, как правило, для этих целей применяют методы математического моделирования, позволяющие анализировать как физические процессы, происходящие в исследуемом объекте, так и состояния исследуемого объекта в каждый момент времени.

Как известно из теории надежности, в процессе функционирования техническая система, с точки зрения надежности, проходит три периода: приработки, нормального функционирования и старения[8,9,10]. Поскольку элементы радиоэлектронных систем имеют большое значение наработки на постепенный отказ (старение и физический износ оборудования происходит значительнее позже, чем произойдет внезапный отказ с большой долей вероятности или моральное устаревание), то для них оправдано и широко применяется гипотетическое предположение экспоненциального распределения времени наработки системы на отказ, что соответствует периоду нормальной эксплуатации, на котором в основном в системе происходят внезапные отказы, что значительно упрощает модель анализа надежности[7,10]. Однако, сложность взаимодействия элементов сложных систем и изменение их свойств во времени вследствие эксплуатационных нагрузок, приводит к необходимости применения методов анализа эксплуатационной надежности, которые учитывают наличие взаимосвязи между большим числом факторов, определяющих поведение рассматриваемой системы в процессе ее эксплуатации в реальных условиях, а также изменения во времени свойств системы и внешней среды. Кроме этого, необходимо учитывать результат действия внешних случайных факторов и так называемого человеческого фактора, являющегося причиной неопределённости в поведении системы в целом. Такой подход эффективен при исследовании сложных систем, для которых оказываются неприменимыми традиционные, как правило, прики-дочные или ориентировочные методы анализа надежности, основанные на поочерёдном изучении отдельных свойств системы или отдельных явлений, что значительно упрощает объект рассмотрения.

Таким образом, применение более полных методов анализа эксплуатационной надежности сложных радиоэлектронных систем, учитывающих большее число факторов и условий эксплуатации, позволяет с большей точностью спрогнозировать возможные отказы и предусмотреть все необходимые меры обеспечения требуемого высокого уровня эксплуатационной надежности сложной системы, что в свою очередь уменьшает время простоя системы и, как следствие, снижает ущерб от аварийности на морском транспорте.

Важность функций, выполняемых судовыми средствами связи, приводит к необходимости априори (до начала рейса) обеспечить высокий уровень надежности систем на весь рейс, что особенно важно при длительном плавании судов (в морских районах А3-А4), когда невозможно береговое техническое обслуживание судовых радиоэлектронных средств связи вследствие того, что судно не заходит в порты или районы плавания не имеют соответствующих центров сервисного обслуживания аппаратуры иностранных производителей и, тем более, российского производства. Это, в частности, касается судов с большой валовой вместимостью (свыше 300 тыс.тонн), вход которых в большинство морских портов мира ограничен глубинами и стесненностью акваторий, что приводит к увеличению времени нахождения судовых РЭС без квалифицированного технического обслуживания. Нельзя забывать о том, что в морских условиях эксплуатации радиооборудование изнашивается более быстрыми темпами по сравнению с береговым оборудованием, что вызывает рост вероятности возникновения отказов в процессе длительной эксплуатации, который не учитывается в процессе планирования системы технической эксплуатации данного оборудования на основе классических методов анализа надежности.

Из сказанного выше, следует, что за последние годы, традиционные системы связи и технологии их обслуживания претерпели существенные модерни-зационные изменения. Внедрение вахтового метода дальнего плавания с длительным отрывом (на 4-8 месяцев) от портов, в частности, от баз технического обслуживания и ремонта судовых радиоэлектронных систем (РЭС), стало нормой. Постепенно стала развиваться новая концепция технической эксплуатации судового радиоэлектронного оборудования навигации и радиосвязи, согласно которой роль радиооператора уменьшается или даже сводится к нулю, а функции обслуживания передаются совместителям (операторам-судоводителям). Эта глобальная мировая тенденция является отражением не только рыночных механизмов получения высокой прибыли судовладельцами (за счёт сокращения штата судовых команд), но и в значительной степени успехами производителей оборудования морской навигации и радиосвязи, многопорядково повысивших за последние 50-60 лет надежность этой аппаратуры и сделавших принципиально возможными дальние длительные походы без квалифицированного технического обслуживания РЭС.

Таким образом, отличительная новизна в техническом обслуживании РЭС на морском флоте затрагивает, прежде всего, радиоэлектронное оборудование для обеспечения длительного плавания судов в морских районах дальнего плавания (А3-А4). Целью настоящего исследования является детальный анализ средствами теории и надежности и теории марковских процессов такого метода повышения надежности комплекса судовых средств радиосвязи, которое обеспечивало бы необходимую их надёжность и безопасность мореплавания в морских районах А3-А4 с автономностью плавания 4-8 месяцев при оперативном техническом обслуживании операторами-судоводителями (с ограниченной квалификацией в области радиоэлектроники).

При разработке модели эксплуатационной надежности судовых РЭС в длительном автономном плавании мы сталкиваемся с необходимостью учета надежности не только собственно технических средств (РЭС), но и надежности по-новому складывающейся системы технической эксплуатации, осуществляемой без выполнения традиционных ремонтных процедур, доступных только высококвалифицированным радиооператорам. Эксплуатация судовых РЭС операторами-судоводителями предполагает принципиально иной подход к восстановлению работоспособности РЭС, не похожий на традиционный ремонт. Эти технологии стали возможными лишь в последние десятилетия в связи с успехами модульной и микромодульной компоновки радиоаппаратуры и развитием техники больших интегральных схем (БИС). Их внедрение в технологии массового технического обслуживания РЭС позволило заменить традиционные ремонтные работы, выполняемые радиопрофессионалами, процедурами полуавтоматического и автоматического восстановления работы РЭС заменой тех или иных модулей; необходимость и адрес замены при этом подсказывается соответствующими диагностическими системами, встроенными в судовой комплекс РЭС и тест-таблицами. Это обеспечивает снижение требований к квалификации человека-оператора, ответственного за эксплуатацию и восстановление работоспособности РЭС, ограничивает непосредственно живое участие оператора-судоводителя в поиске неисправности, в нахождении нужного решения, и восстановлении утраченной работоспособности РЭС. Таким образом, рост эксплуатационной надежности РЭС достижим методами резкого сокращения времени восстановления отказавшего узла РЭС.

Объект исследования - судовые радиоэлектронные средства связи в условиях дальнего плавания в морских районах А3-А4.

Предмет исследования - эксплуатационная надежность судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного плавания.

Цель исследования:

- анализ факторов, влияющих на надежность РЭС, и причин проявления отказов судового радиоэлектронного оборудования связи и навигации (на базе эксплуатационных данных крупной судовой компании);

- минимизация числа отказов судовых РЭС в процессе их длительной эксплуатации;

- системный подход к обеспечению технической эксплуатации судовых РЭС связи (обоснование профилактического обслуживания и замен, а также норм на запасные модули).

Научная новизна защищаемых соискателем положений характеризуется следующими достижениями:

- проведен статистический анализ причин и значимости отказов судового конвенционного радиооборудования связи и навигации (на основе данных эксплуатации РЭС связи на судах крупной судоходной компании);

- разработана методика анализа влияния постепенных отказов на надежность судового радиоэлектронного оборудования связи в условиях длительного плавания с помощью применения модели неоднородных марковских процессов;

- составлены и исследованы надежностные схемы судовых РЭС связи с учетом восстановления в нетрадиционной области потоков (скоростей) восстановления, характерных для работы самовосстанавливающих автоматов и полуавтоматов;

- оптимизировано число запасных модулей по вероятностному критерию, обеспечивающее безотказную работу судового радиоэлектронного оборудования связи в длительных рейсах;

- разработана методика регламентации профилактического обслуживания судовых радиоэлектронных средств связи в специфических для морской практики условиях.

Научная достоверность и обоснованность результатов. Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, что все теоретические исследования и практические реализации основаны на использовании известных методических принципов современной науки (теорем, законов, методов). В диссертационной работе использованы теория марковских процессов, теория случайных процессов, теория вероятностей, теория массового обслуживания, оптимизация функций, численные методы. Использованы статистические данные об эксплуатации судовых РЭС.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что рассмотрены вопросы анализа и обеспечения надежности судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного автономного плавания, когда период эксплуатации РЭС превышает значение наработки на отказ. В частности, разработаны методика учета постепенных отказов судовых радиоэлектронных средств (процессов старения и износа) при их длительной эксплуатации в процессе технической эксплуатации и обеспечении запасными модулями. Полученные результаты работы используются в учебном процессе, дипломном проектировании и аспирантской работе на кафедре "Радиосвязь на морском флоте" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на региональных научно-технических конференциях и семинарах в МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова в 2000-2005 гг. и на международной научной конференции "Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании" (г. Пенза) в 2003 г.

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована автором в 9 работах Сборника научных трудов МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск) и Материалах международной научной конференции, проходившей в г. Пенза, а также в написанной с соавторами монографии, посвященной вопросам надежности и технической эксплуатации сложных морских радиоэлектронных систем. Две работы опубликованы в изданиях списка ВАК.

Личный вклад в научные разработки, защищаемые в диссертации, определяющий, т.к. основные научные результаты получены лично автором, а остальная часть - в соавторстве с научными сотрудниками кафедры "Радиосвязь на морском флоте" Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова.

На защиту выносятся:

1. Анализ причин и значимости отказов судового конвенционного радиооборудования связи и навигации по статистическим эксплуатационным данным крупной судовладельческой компании ОАО "Новошип" (г. Новороссийск).

2. Результаты исследования зависимости вероятности безотказной работы от длительности эксплуатации на основе надежностных схем судовых РЭС связи с восстановлением работы после отказа в широкой области потоков (скоростей) восстановления.

3. Методика анализа надежности судового радиоэлектронного оборудования связи в условиях длительного плавания с помощью модели неоднородных марковских процессов, учитывающей поток внезапных отказов и влияние процессов старения и износа оборудования при длительности эксплуатации, превышающей значение наработки оборудования на отказ.

4. Методика организации системы технического обслуживания судовых РЭС связи, оптимизирующая число запасных модулей и регламент профилактического обслуживания, обеспечивающая безотказную работу судового радиоэлектронного оборудования связи в течение длительного рейса (4-8 месяцев).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Сделан вывод о том, что 27% отказов судовых радиоэлектронных систем связи происходи вследствие износа и выработки ресурса, т.е. имеют место постепенные отказы. Для этих целей был проведен статистический анализ причин и значимости отказов судового радиоэлектронного оборудования связи и радионавигации на основе данных об эксплуатации РЭС на судах крупной компании ОАО "Новошип" (г.Новороссийск). Кроме этого, важен тот факт, что радиооборудование связи в сложившихся условиях эксплуатации, как климатических, так и организационных, изнашивается (стареет) более быстрыми темпами, чем в береговых условиях эксплуатации.

2. Новый результат защищаемого исследования состоит в том, что разработана методика анализа надежности судовых радиоэлектронных средств в условиях длительного автономного плавания с помощью применения модели неоднородных марковских процессов, учитывающей как воздействие внешних дестабилизирующих факторов, так и процессы старения и износа оборудова-. ния. В связи с увеличением длительности плавания крупнотоннажных судов, снижением квалификации персонала (совмещение функций помощника капитана по радиоэлектронике судоводителем), эксплуатирующего судовые радиоэлектронные средства, усложнением самого комплекса судовых РЭС, связанного с внедрением в эксплуатацию новых радиоэлектронных систем обеспечения безопасности мореплавания (АИС, СНС и т.д.),существенное влияние на их надежность начинают оказывать постепенные отказы. Согласно этому в системе дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, описывающих динамику изменения состояний рассматриваемых судовых РЭС в процессе их функционирования, появляется временной фактор, т.е. зависимость коэффициентов (ин-тенсивностей переходов) от времени. Получить количественные показатели надежности при этом можно только используя новые виды нестационарных алгоритмов. На основе применения предложенной модели получена оценка влияния постепенных отказов элементов судовых РЭС, происходящих вследствие процессов их старения и износа, на значение средней наработки системы на отказ. Установлено, что этот вид отказов оказывает существенное влияние на функционирование судовых РЭС связи при длительности плавания, превышающей значение средней наработки на отказ, снижая среднюю наработку в среднем на месяц (500-700 час), что приводит к необходимости пересмотра подходов к организации процесса технической эксплуатации.

3. На основе полученных зависимостей количественного показателя эксплуатационной надежности от длительности функционирования рассматриваемых в работе радиоэлектронных систем сделан вывод о том, что при длительности плавания 6-8 месяцев его значение не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к оборудованию сети ГМССБ, а, следовательно, для повышения уровня надежности и поддержания его в течение всего плавания судна необходим принципиально иной подход к организации процесса технического обслуживания. В соответствии с этим разработана структура и обоснована модель организации технического обслуживания судовых радиоэлектронных средств связи в условиях длительного автономного плавания, когда проведение квалифицированного технического обслуживания и ремонта невозможно. Обоснована необходимость введения структурной избыточности (запасных модулей) с целью повышения надежности судовых РЭС, что позволяет сократить время восстановления работоспособности и проведения профилактических работ. Кроме этого, оптимизирована периодичность проведения профилактического обслуживания, которая составляет порядка двух месяцев.

1. Консолидированный текст Конвенции СОЛАС'74. ЗАО ЦНИИМФ, 2004. -310с.

2. Резолюция ИМО А.529(13). Стандарты точности судовождения.

3. Маринич А.Н., Проценко И.Г., Резников В.Ю. и др. Судовая автоматическая идентификационная система. Под общ. ред. докт. техн. наук проф. Ю.М. Устинова. СПб.: Судостроение. 2004. — 180 с.

4. Демьянов В.В., Лицкевич А.П., Попов В.В. Проблемы обеспечения качества больших морских информационных систем связи. Новороссийск; -НГМА, 1997.-367 с.

5. Демьянов В.В., Попов В.В. Научное осмысление опыта создания информационной сети ГМССБ на Юге России. Новороссийск: НГМА-Ростов-на-Дону (Академия транспорта РФ), 1999. - 624 с.

6. Дедков В.К, Северцев Н.А. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. М.: Высшая школа, 1976 - 406 с.

7. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. -М.: Наука, 1965. 524 с.

8. Лицкевич А.П., Демьянов В.В., Бойко А.И., Карбовец Н.В. Системная надежность морского радиоэлектронного оборудования. Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2005. - 185 с.

9. Маевский Л.С. Методы обеспечения надежности информационно-телекоммуникационных систем на различных этапах жизненного цикла. СПб., 1999.- 112 с.

10. Половко А.М. Основы теории надежности. М.: Наука, 1964. - 401 с.

11. Бабуров Э.Ф., Голиков А.Н., Калюжный И.Л. и др. Новые средства судовой автоматизированной радиосвязи. Производственно-учебное пособие для инженеров и студентов вузов. Севастополь: СПИ, 1993. - 236 с.

12. Венскаускас К.К., Ильин.А.А. Принципы построения глобальной морской связи при бедствиях и для обеспечения безопасности мореплавания. — М.: Мортехинформреклама, ЛВИМУ, 1988 104с.

13. Судовая радиосвязь: Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ/ Резников В.Ю., Устинов Ю.М., Дуров А.А. и др. Под. общ. ред. докт. техн. наук, проф. Устинова Ю.М. СПб.: Судостроение, 2002. - 480 е., ил.

14. Резолюция А.819(19) Международной морской организации. Эксплуатационные требования к судовому приемному оборудованию Глобальной системы определения местоположения (GPS).

15. Вагущенко JI.JI. Интегрированные системы ходового мостика. Одесса: Латстар, 2003. - 170 с.

16. Соловьёв Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.-268 с.

17. Причкин О.Б. Морская автоматическая идентификационная система (АИС). Учебное пособие. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2003 -100 с.

18. Жерлаков А.В. Радиотехнические средства обеспечения безопасности морского судоходства М.: Транспорт, 1992 - 215 с.

19. Дуров А.А., Канн B.C., Мищенко И.Н. и др. Судовая радионавигация. Радионавигационные устройства и системы: Учеб. для вузов. -М.: 2000.

20. Дуров А.А., Канн B.C., Ничипоренко Н.Т. и др. Судовая радионавигация. Судовые радиолокационные системы и САРП: Учеб. для вузов. — Петропавловск-Камчатский: МУТЦ ГМА, 2000.

21. Байрашевский А. М., Ничипоренко Н. Т., Судовые радиолокационные системы. М.: Транспорт, 1982. - 317 с.

22. Правила по оборудованию морских судов. СПб.: Российский Морской Регистр Судоходства, 2003. - 315 с.

23. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Информационная надежность, контроль и диагностика навигационных систем. Изд. 2-е, переработанное. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2004. - 208 с.

24. ГОСТ 27.310-95. Межгосударственный стандарт. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения. — М.: Изд-во стандартов, 1997. 12 с.

25. Котик М.А., Емельянов A.M. Природа ошибок человека-оператора. -М.; Транспорт, 1993. 209 с.

26. Бойко А.И. Обобщение процессов принятия решений оператора в сложных морских системах с помощью полумарковских процессов. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VII. Новороссийск. РИО НГМА. 2002. 5 с.

27. Бойко А.И., Карбовец Н.В. Асимптотические вероятности в исследовании сложных систем. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VI. Новороссийск: РИО НГМА, 2001. 5 с.

28. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. Учебное пособие. Спб.: Питер, 2005. - 479 е.: ил.

29. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. М.: Энергоиздат,1986. - 258 с.

30. Бацула А.П. Конструирование радиоэлектронных устройств. Учебное пособие. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002.-231 с.

31. Коненков Ю.К., Ушаков И.А. Вопросы надежности радиоэлектронной аппаратуры при механических нагрузках. М.: Советское радио, 1975. —144 с. — ил.

32. Бойко А.И. Анализ работоспособности магнетронного генератора передающего устройства радиолокационной станции СУДС методом дерева отказов. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск IX. Новороссийск. РИО МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова. 2004. 7 с.

33. Лицкевич А.П. Демьянов В.В. Прикладная теория надежности радиоэлектронного оборудования и морских информационных систем. Новороссийск: НГМА, 2000. - 150 с.

34. Казаков В.А. Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи. М.: Советское радио, 1973. -232 с.

35. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 36 с.

36. Надежность технических систем. Справочник / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин и др. под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985 г.-608 е., ил.

37. Лонгботтом Р. Надежность вычислительных систем. М.: Энергоатом-издат, 1985.-283 с.

38. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М., Советское Радио, 1977.-488 с.

39. Клемин А.И., Емельянов B.C., Морозов В.Б. Расчет надежности ядерных энергетических устройств. Марковская модель. М.: Энергоиздат, 1982. - 206 с.

40. Лицкевич А.П. Системно-структурная надежность морских информационных радиосетей.: Диссертация . кандидата технических наук, Новороссийск, 1998.- 167 с.

41. Ярлыков М.С., Миронов М.А. Марковская теория оценивания случайных процессов. — М.: Радио и связь, 1993. 464 с. - ил.

42. Райншке К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.; Радио и связь, 1981. - 264с.

43. Королюк B.C., Турбин А.Д. Процессы Марковского восстановления в задачах надежности систем. Киев.: Наукова думка, 1982. - 236 с.

44. Коданов Ю.И. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. Учебник для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1991 г. -360 е., ил.

45. Максимов Ю.Д. Вероятностные разделы математики. СПб.: Иван Федоров, 2001.-588 с.

46. Глушань В.М., Механцев Е.Б., Косторниченко А.И. Расчет надежности по внезапным и постепенным отказам. Таганрог: ТРТИ, 1987.

47. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. -М.: Издательствово стандартов, 1997. 15 с.

48. Васильев Б.В., Козлов Б.А., Ткаченко Л.Г. Надежность и эффективность радиоэлектронных устройств. М.: Наука, 1964. - 365 с.

49. Теория вероятностей и ее инженерные приложения: Учеб. для вузов./ Вент-цель Е.С., Овчаров J1.A. М.: Издательский центр "Академия", 2003. - 464 с.

50. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. М.: Советское радио, 1969. -386 с.

51. Кордонский Х.Б. Приложения теории вероятностей в инженерном деле. -М.: Государственное изд-во физико-математической литературы, 1963.-435 с.

52. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. -М.: Высшая школа, 1989.

53. Северцев Н.А. Надежность сложных систем в эксплуатации и обработке. М.: Высшая школа, 1989. - 432 с.

54. Гаскаров Д.В., Голинкевич Т.А., Мозгалевский А.В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1974.-223 с.

55. Надежность автоматизированных систем управления: Учебное пособие для вузов/ Атовмян И.О., Вайрадян А.С., Руднев Ю.П. М.: Высшая школа, 1979.-287 е., ил.

56. Теория надежности радиоэлектронных систем в примерах и задачах. Под ред. Г.В. Дружинина. М.: Энергия, 1976. - 334 с.

57. Филин Б.П. Методы анализа структурной надежности сетей связи. М.: Радио и связь, 1988. -154 с.

58. Резолюция А.609(15) Международной морской организации (19.11.1987 г.)

59. Левин В.И. Логическая теория надежности сложных систем. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 128 с.

60. Резолюция А.613(15) Международной морской организации (19.11,1987 г.)

61. Бойко А.И. Оптимальное управление процессом технической эксплуатации сложных информационных систем. Материалы четвертой новороссийской городской студенческой научной конференции «Студент наука». Новороссийск. РИО НГМА. 2002. - 5 с.

62. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. -М.: Наука, 1988.-206 с.

63. Климанов В. П. Разработка математических моделей и анализ эффективности вычислительных систем. /Под редакцией Ю. П. Кораблина. М.: Изд-во МЭИ, 1992.-103 с.

64. Сотсков Б.С. Основы теории и расчет надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М.: Высшая школа, 1970. -256 с.

65. Гагин А.А., Нарышкина Т.С. Расчет коэффициента готовности сложной системы из неоднородных элементов при ограниченном восстановлении// Изв. АН УССР, Техническая кибернетика, 1987 № 4, с. 99-100.

66. Горский JI.K. Статистические алгоритмы исследования надежности. — М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва Наука, 1970-400 с.

67. Коваленко И.Н., Наконечный А.Н. Приближенный расчет и оптимизация надежности. Киев: Наукова думка, 1989 - 181 с.

68. Кокс Д.Р., Смит B.JI. Теория восстановления. М.: Советское радио, 1967.-300 с.

69. Закорюкин В.Б. Методы обеспечения надежности АСУ. -М., 1990 55 с.

70. Бойко А.И., Андрианов О.И. Особенности организации процесса технической эксплуатации подсистемы Глобальной морской системы связи по бедствию и для обеспечения безопасности. Изв. ВУЗов Сев.-Кавк.региона, сер. "Техн. науки" (Спецвыпуск), 2004. 7 с.

71. Зубрилов А.П. техническая эксплуатация авиационного и радиоэлектронного оборудования. Рига:РКИИГА, 1978-61 с.

72. Плетнев И.Л., Рембеза А.И. и др. Эффективность и надежность сложных систем. -М.: машиностроение, 1977.-216 с.

73. Игнатов В.А. и др. Прогнозирование оптимального обслуживания технических систем. Киев: о-во Знание УССР, 1981 - 20 с.

74. Рябинин И.А. Надежность и безопасность сложных систем. СПб.: Политехника, 2000. -248 с.

75. Груничев А.С., Однодушков А.В., Якимов П.Ф. Обеспечение надежности радиоэлектронной аппаратуры и комплектующих изделий при эксплуатации. М.: Советское радио, 1976. - 240 с.

76. Воробьев В. Г. Техническая эксплуатация авиационного оборудования: Учеб. пособие для вузов гражд. авиации. / В. Г. Воробьев, В. Д. Константинов, Г. А. Куликов. М.: Транспорт, 1990 - 296 с.

77. Зеленцов В.А., Гагин А.А. Надежность, живучесть и техническое обслуживание сетей связи. МО СССР, 1991 - 169 с.

78. Панасюк В.И. Оптимальное управление в технических системах. -Минск: Наука и техника, 1980. 271 с.

79. Латинский С. М., Шарапов В. И., Ксенз С. П., Афанасьев С. С., Теория и практика эксплуатации радиолокационных систем. М.: Советское радио, 1970.-274 е.: ил.

80. Гаспер Б.С. Надежность функционирования автоматизированных систем. Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 1999 70 с.

81. Зубко Н.Ф. Надежность и оптимизация запасов деталей портовых машин. М.: Транспорт, 1992. 144 с.

82. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность АСУ ТП. М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 230 с.

83. Алексеев О.Г. Комплексное применение методов дискретной оптимизации. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 248 с.

84. Глазунов Л.П., Грабовецкий В.П. Надежность автоматических систем управления. Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 126 с.

85. Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем (эффективность и надёжность). -М.: Сов. радио, 1977.-214 с.

86. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход: Пер. с нем./Под. ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1982.- 254 с.

87. Леонов А.И., Дубровский Н.Ф. Основы техничсекой эксплуатации бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Учебник для вузов. М.: Легпромбытиз-дат, 1991.-272 с.

88. Барзилович Е.Ю. Приложение математических методов к задачам эксплуатации авиационной техники. М.: ВВИА им. проф. Жуковского Н.Е., 1965-276 с.

89. Иванов П. А. Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования воздушных судов / П. А. Иванов, П. С. Давыдов. 1985

90. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Некоторые математические вопросы теории обслуживания сложных систем. М.: Советское радио, 1971. — 224 с.

91. Шор Я. Б., Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М.: Высшая школа, 1962.-401 с.

92. Волкович В.Л., Волошин А.Ф., Злаславский В.А. Модели и методы оптимизации надежности сложных систем. Киев: Наукова думка, 1993. - 312 с.

93. Коршунов Г.И. Обеспечение качества сложных систем. СПб.: С.-Петерб. гос. ун-т вод. Комунникац., 2001 - 82 с.

94. Мжельский Б.И. Введение в теорию оптимизации. М.: Из-во МЭИ, 2001 -88с.

95. Бойко А.И. Оптимальное управление процессом технической эксплуатации сложных морских систем. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VII. Новороссийск. РИО НГМА. 2002. 5с.

96. Бойко А.И., Лицкевич А.П., Андрианов О.И. Методика регулирования электромагнитной обстановки радиоэлектронных средств безопасности мореплавания в порту. Сб. научных трудов НГМА, №8. Новороссийск: "РИО", 2003.-3 с.

97. Надежность в технике. Методы определения оптимальной периодичности и объемов технического обслуживания и плановых ремонтов изделий. Методические рекомендации. М.: ВИИИНмаш, 1987 - 63 с.

98. Бойко А.И., Лицкевич А.П. Обобщение задачи определения оптимальных эксплуатационных показателей сложных систем. Сборник научных трудов НГМА. Выпуск VI. Новороссийск.: РИО НГМА, 2001. - 3 с.

99. Козлов А.И. Повышение качества радиоэлектронных средств ГА и процессов их технической эксплуатации.: Сб.научных трудов. Московский ин-т инженеров гражданской авиации. М.: МИИГА, 1992 - 120 е., ил.

100. Мжельский Б.И., Мжельская В.А. Задачи оптимизации и инженерные методы их решения. М.: Издательство МЭИ, 1995. - 216 с.

101. Реклейтис Т. Оптимизация в технике. -М.: Мир. Т. 1. 279 с.

102. Дружинин Г.В. Процессы технического обслуживания автоматизированных систем. М.: Энергия, 1973. - 271 с.