автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методологические основы управления состоянием систем технической эксплуатации промышленных и транспортных объектов

На правах рукописи

Кашковский Виктор Владимирович

005058005

Методологические основы управления состоянием систем технической эксплуатации промышленных и транспортных объектов

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иркутск -2013

1 Б МАЙ 2013

005058005

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный

деятель науки РФ Мухопад Юрий Федорович, Иркутский государственный университет путей сообщения

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Алпатов Юрий

Никифорович, Братский государственный университет.

доктор технических наук, профессор Воевода Александр Александрович, Новосибирский государственный технический университет.

доктор технических наук, профессор Ус Николай Александрович, Военный учебно-научный центр ВВС (г. Воронеж).

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический

университет

Защита состоится 6 июня 2013 года в 13 часов на заседании совета по защите

кандидатских и докторских диссертаций Д 218.004.01 при Федеральном государственном

бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

Иркутский государственный университет путей сообщения по адресу: 664074, г. Иркутск,

ул. Чернышевского, 15, ауд. 803.

Тел.: (8-3952) 63-83-11; (8-3952) 38-77-46.

WWW: http://www.irgups.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательном учреждении высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения.

Автореферат разослан «12» апреля 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор

Тихий И.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. К середине XX столетия серийный выпуск однотипных изделий (технических объектов) в промышленности и на транспорте стал измеряться сотнями тысяч и даже миллионами экземпляров. Применение по назначению столь объемных парков однотипных изделий привело к возникновению такой сферы деятельности как техническая эксплуатация. Техническую эксплуатацию можно определить как совокупность организационных, научных и практических мероприятий направленных на поддержание исправности и готовности к применению однотипных изделий и осуществляемых соответствующими системами технической эксплуатации (СТЭ).

В работе предполагается разделение СТЭ на два вида:

1. СТЭ изделий индивидуального использования. Такая система характерна, например, для владельцев личного автотранспорта, которые самостоятельно эксплуатируют каждый свою единицу автотранспорта и по своему усмотрению организуют ее ремонт и техническое обслуживание. Для этой системы характерно практически полное отсутствие организационных связей между владельцами автотранспортных средств, что в свою очередь не позволяет ей в полной мере обеспечить эффективность использования изделий. Поэтому для обеспечения безопасности эксплуатации приходится вводить в систему искусственные организационные связи, например, в виде обязательного технического осмотра автотранспорта.

2. СТЭ изделий корпоративного использования. Примерами таких систем являются эксплуатация газовых центрифуг на предприятиях по обогащению урана, крупные транспортные компании воздушного, железнодорожного, речного и морского транспорта, военная авиация и т.п. Достоинством СТЭ корпоративного использования является наличие четко обозначенных организационных связей, позволяющих обеспечить необходимую эффективность использования промышленных и транспортных объектов.

СТЭ изделий индивидуального использования относятся к плохо организованным системам, в которых обеспечение эффективности использования промышленных и транспортных объектов представляется достаточно затруднительным. Поэтому в работе рассматриваются только СТЭ второго вида, являющиеся объектом исследования.

В целях обеспечения эффективности использования промышленных и транспортных объектов СТЭ, независимо от вида транспорта и типа промышленных объектов, призваны обеспечить решение трёх основных задач:

- полнота и качества выполнения изделиями своих функций по предназначению.

- безопасность эксплуатации (для транспортных объектов - безопасность движения);

- экономичность эксплуатации.

Обеспечение высокой эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов имеет важнейшее народно-хозяйственное значение, поскольку является одним из основополагающих направлений экономического развития страны. Так, например, в условиях массовой эксплуатации даже незначительное уменьшение затрат на содержание единичного изделия может привести к значительной экономии финансовых средств. И наоборот, в условиях острой промышленной конкуренции любое пусть и незначительное увеличение подобных затрат способно привести к утрате внутреннего и международного рынка сбыта промышленной продукции и, как следствие, большим финансовым потерям.

Для того чтобы конкретный технический объект мог эффективно и безопасно использоваться по назначению СТЭ должна постоянно поддерживать его в работоспособном и готовом к применению состоянии. Этот процесс принято называть управление состоянием технического объекта.

Вопросы управления состоянием технических объектов частично рассматриваются в ряде научных дисциплин, таких как теория надежности в технике, теория структурной надежности, техническая диагностика, испытания па надежность, теория систем массового обслуживания и других.

Повышению эффективности управления состоянием технических объектов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых, таких как А.Е. Акиндеев, А. Авиженис, ЕЛО. Барзилович, Р. Барлоу, И.А. Биргер, В.Г. Воробьёв, В.А. Ведешенков, В.В. Глухов, Б.В. Гнеденко,

В.А. Горшков, A.A. Ицкович, В.Д. Константинов, C.B. Крауз, Ю.Ф. Му.хопад, Ф. Прошан, К. Райншке, Е.А. Румянцев, Н.П. Сергеев, И.М. Синдеев, H.H. Смирнов, Е.С. С'огомонян, В.И Шаманов, T.J. Allan, S. Tolda, H. Fujiwara, К. Kinoshita, M. Guida, С. Kime, S. Mallela, G.M. Masson, J. Russel, A. J. Truelove и др.

Одной из методологических посылок, на которых основаны многие научные труды, является утверждение о том, что, если в рамках СТЭ осуществлять эффективное управление состоянием каждого технического объекта в отдельности, то и СТЭ в целом будет эффективна. Вместе с тем, теория системного анализа предполагает, что одной из основополагающих закономерностей систем является взаимодействие части и целого (эмерджентность). Эмержентность отрицает применимость редукции к сложным динамическим системам, к которым относится и СТЭ, поскольку сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов любой системы в подавляющем большинстве случаев придает системе новое качество, отличающее систему от простой суммы независимых качеств ее элементов. Исходя из этого, в работе вводится понятие «управление состоянием СТЭ», означающее эффективное управление состоянием множества технических объектов, её составляющих.

Очевидно, что для дальнейшего повышения эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов необходимо развитие методов управления состоянием СТЭ. Однако, несмотря на большое количество работ в области управления состоянием технических объектов, методология управления состоянием СТЭ развития так и не получила. Из-за этого до настоящего времени для управления СТЭ применяют преимущественно эвристические модели. Основной причиной этого является неизученность законов функционирования СТЭ.

Для эффективного управления состоянием СТЭ необходимо решить комплекс сложных и актуальных научных задач по фундаментальному исследованию законов функционирования СТЭ и разработке методов управления состоянием СТЭ. Этот комплекс научных задач и составляет проблему разработки методологических основ управления состоянием СТЭ. В силу своей мультидисциплинарности и невозможности решения данной проблемы в рамках существующих теорий она может быть решена только с применением системного подхода.

Целью диссертационной работы является разработка методологических и прикладных основ обобщенной теории управления состоянием СТЭ для повышения эффективности и безопасности применения промышленных и транспортных объектов.

Для достижения цели необходимо решить ряд основных задач:

1. Выполнить анализ проблемы.

2. Разработать классификацию СТЭ.

3. Разработать универсальную переключаемую модель СТЭ.

4. Исследовать законы функционирования СТЭ различных классов.

5. Разработать методы управления состоянием СТЭ на основе законов их функционирования.

6. Оценить эффективность предлагаемых моделей и методов и разработать рекомендации по их практическому применению.

Предметом исследования в работе являются законы функционирования СТЭ и методы управления ими.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, синергетики, теории вероятностей, математической статистики, теории автоматического управления, цифровой фильтрации, объектно-ориентированного программирования, построения баз данных, статистического моделирования.

Научную новизну составляют и на защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Впервые предложена классификация СТЭ по признаку ограничений на систему.

2. Разработана оригинальная универсальная переключаемая модель СТЭ. В ходе ее синтеза были впервые получены:

- ресурсный метод моделирования потока отказов;

- модель восстанавливаемых изделий с конечным ресурсом;

- критерии адекватности универсальной переключаемой модели СТЭ по входу и закону функционирования;

а также предложено аналитическое описание типовой плотности распределения наработки до отказа, отличающееся использованием гамма-распределения для описания плотности распределения наработки до отказа на этапе приработки.

3. Впервые разработана аналитическая модель СТЭ объектов стареющего типа.

4. На основе впервые выполненных исследований законов функционирования СТЭ разработаны новые критерии эффективности СТЭ по безопасности и экономической эффективности, а также методы:

- назначения оптимального ресурса;

- управления состоянием СТЭ при эксплуатации по ресурсу;

- оценки величины упреждающего допуска и периодичности контроля при эксплуатации до предотказового состояния.

5. На основе разработанных методов управления состоянием СТЭ были предложены реализуемые на практике авиационного и железнодорожного транспорта новые методики:

- управления состоянием авиационных СТЭ по экономическому критерию эффективности;

- управления состоянием авиационных СТЭ по критерию безопасности;

- управления состоянием авиационных СТЭ на основе отображения надежности изделий, поставляемых промышленностью;

-управления состоянием СТЭ вагонного парка по экономическому критерию эффективности;

- управления состоянием СТЭ автодорожных и железнодорожных мостов.

Достоверность полученных результатов основывается на согласованности теоретических

результатов, полученных с помощью разработанных моделей и методов, со статистическими данными по эксплуатации промышленных и транспортных объектов, а также на использовании физически обоснованных принципов построения моделей СТЭ и способов обработки данных.

Научная значимость работы состоит в разработке отдельных положений обобщенной теории технической эксплуатации, включающих классификацию СТЭ, фундаментальные исследования законов функционирования, критерии эффективности, модели и методы управления состоянием СТЭ на основе законов их функционирования; в развитии метода статистического моделирования (Монте-Карло), методов моделирования восстанавливаемых и невосстанавливаемых изделий, а также статистических методов обработки экспериментальных данных при решении задач управления состоянием СТЭ.

Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке практических методик управления состоянием СТЭ в авиации, на железнодорожном транспорте и при эксплуатации автодорожных и железнодорожных мостов. Они являются основой для повышения эффективности эксплуатации промышленных и транспортных объектов и, как следствие, снижения экономических, экологических, социальных и др. потерь Полученные в работе результаты научных исследований подтверждены патентами, имеют универсальный характер и могут быть использованы при эксплуатации изделий различного типа и назначения, а также в учебном процессе ВУЗов при подготовке студентов и аспирантов соответствующего профиля.

Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности ОАО «ОКБ Сухого», в Московском ГТУ ГА (Иркутский филиал), МУЛ «Служба эксплуатации мостов г. Иркутска» и Иркутском ГУПС.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на 3 Международных, 3 Всероссийских, 4 ведомственных (МО РФ), 4 межвузовских конференциях, а также на конференциях ВУЗов: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, Иркутского ВВАИУ, МГТУ ГА и ИрГУПС, отражённых в списке публикаций

Публикации результатов. По материалам диссертации опубликован 101 научный труд, из них 19 в периодических изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 9 авторских свидетельств и патентов, подана 1 заявка на патент. Изданы монография и 4 учебных пособия (из них 1 с грифом УМО). В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 90% результатов.

Положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав заключения, библиографического списка из 498 наименований и 8 приложений. Общий объём работы составляет 313 страниц и включает 140 рисунков и 36 таблиц.

Содержание работы

В первой главе выполнен системный анализ проблемы разработки методологических основ управления состоянием СТЭ. В результате предварительного анализа было установлено, что модели СТЭ, применяемые в теории управления состоянием систем технической эксплуатации, и теории структурной надежности не совпадают концептуально. В качестве примера на рис. 1 показаны модель интенсивности отказов 1(0, модель интенсивности отказов при испытании на

надежность Л, (/), и модель интенсивности отказов X*, согласно теории структурной надежности. Все три модели относятся к одному и тому же техническому объекту. Как видно из рисунка, результаты моделирования выходного сигнала одной и той же СТЭ разными методами не совпадают ни качественно, ни количественно. Из этого следует вывод, что выявленные методические погрешности моделей систем технической эксплуатации носят системный характер. Их невозможно устранить в рамках существующей теории.

ВД, л (о

10~3/ч к: 2« сге

2М 135

¡65

-20 т во к

гс з.

"» г» яг т к» !час

Рис. 1 - Возникновение проблемной ситуации при моделировании выходного сигнала

СТЭ

Таким образом, в теории моделирования СТЭ была выявлена проблемная ситуация, характеризуемая тем, что известные математические модели СТЭ не могут концептуально объяснить имеющиеся статистические данные.

Методологическим инструментом для решения подобных проблемных ситуаций является системный анализ, в области которого известны методы, предложенные учеными С.Л. Оптнером М. Месаровичем, Д. Мако, И. Такахарой, С.П. Никаноровым, Н.П. Федоренко, С. Янгом, Ф.п! Тарасенко, В.Н. Спицнаделем и методы синергетики, предложенные учеными Дж. Марсденом М Мак-Кракеном, И. Пригожиным, С.П. Капицей, Г. Хакеном и др. '

С использованием системного подхода к рассматриваемой проблемной ситуации была разработана методика её исследования, состоящая из следующих этапов:

1. Анализ проблемы повышения эффективности СТЭ промышленных и транспортных объектов.

2. Определение СТЭ.

3. Анализ структуры СТЭ.

4. Анализ ограничений проблемы повышения эффективности СТЭ промышленных и транспортных объектов.

5. Анализ существующих моделей СТЭ.

6. Выбор альтернатив решения проблемы.

7. Определение критериев эффективности СТЭ.

8. Разработка моделей СТЭ.

9. Исследование законов функционирования СТЭ.

10. Реализация решения по управлению состоянием СТЭ.

11. Проверка возможности практического применения найденного решения. Структурная схема СТЭ показана на рис. 2.

______________________________________________

Рис. 2 - Структурная схема СТЭ

Пусть дана система

SczXxY, (1)

где X - входы, У - выходы системы.

Для того чтобы построить целенаправленное представление системы S, необходимы два

понятия - цели и принятия решения.

При отображении цели и условий ее достижения в случае ситуации с неопределенностью системы S можно рассматривать как функцию, означающую, что элементы X являются парами «вход - состояние»

X = M*U, (2)

где М - входные воздействия; U - множество неопределенностей на входах управления, из которых при принятии решения необходимо выбрать подмножество U с U.

Тогда цель для S задается тройкой отношений z = (G,T,R), определяемых относительно

множества Y следующим образом:

G(s):S-*V,

T(u):U->V, <3)

RcV,

где V - множество значений выполнения; G(s) - целевая функция, которая каждому состоянию системы ígS приписывает значение G(s) е V; Т(и) - относительная функция допустимости; для каждого ueU определяется значение T(u)eV, которое используется для оценки допустимости данного y = S(m,u)-, R - отношение удовлетворительности; для каждого (.m,u)eMxU удовлетворительность поведения системы ReV оценивается относительно Пи).

При данной цели z = (G(s),T(u),R) для системы S имеем два понятия, связывающие входы с целью:

а) вход х^Х достигает цели z, если

(G{x,S(x)\T{i,))&R, (4)

где х = (т,и)\

б) вход теМ удовлетворяет цели z относительно U' czU, если для всех ueU' вход х = (т,и) достигает цели z, т.е. для всех и е 11' имеет место

(■G(m,u,S(m,u)),T(u))eR. (5)

Тройку Р~(S,U',z) принято назвать проблемой решения. Вход теМ удовлетворяет проблеме решения {S,U',z), если он удовлетворяет цели z относительно £/'. Система

S:MxU —» Y (6)

является системой, принимающей решение, если проблема решения 0 определена так, что для каждого (w,«)e А/ хС/ выход y = S(m,u) удовлетворяет Р в указанном смысле.

Система S : X —» Y считается целенаправленной системой с обратной связью, если дано множество M вместе с парой отображений (P,D):

P:MxU —

D:XxY->M (7)

таких, что:

а) У = S(x) <-» (Р(т,и) = у) л (Z)(x,y) = m) ; (8)

б) D принимает решения относительно цели z для отображения Рм, определенного на MxU,b Г,т.е. PM-.MxU^>Y. (9)

Очевидно, что S является целенаправленной системой, если дана пара отображений, таких, что есть композиция (с обратной связью) Р и D и, кроме того, D принимает решение относительно цели z, определенной для Рм.

В общем случае применительно к системе технической эксплуатации ее целью z является удержание СТЭ в заданном состоянии.

Отображение D{x, у) = m необходимо для принятия решения по управлению надежностью технических объектов, а отображение Р(т,и) = у для принятия решения по управлению состоянием СТЭ.

Сигналом возмущения M для СТЭ является надежность технических объектов поставляемых промышленностью.

Основным показателем надежности технического объекта, полученным в результате испытаний на надежность, является статистическая плотность распределения наработки до отказа. Работами 50-60-х. годов было установлено, что во всех случаях имеет место так называемая типовая плотность распределения наработки до отказа, примерный вид которой показан на рис. 3.

Типовую плотность распределения наработки до отказа технического объекта принято делить на три участка: А, Б и В, соответственно.

На участке А, называемом периодом приработки, главной причиной отказов технических объектов являются скрытые производственные дефекты. Далее мы будем их называть отказами по причине конструктивно-производственных недостатков (КПН)

Участок Б характеризуется главным образом внезапными отказами, имеющими случайный характер происхождения (CJI). Этот период наработки технических устройств принято называть периодом нормальной эксплуатации.

Участок В называется периодом деградации или периодом износа и старения (СТ).

В дальнейшем изложении будем обозначать через КПН, СЛ и СТ преобладающие причины отказов действующих с разной вероятностью на всем периоде испытания технического объекта.

На основании анализа результата работ 60-х годов можно сформулировать гипотезу:

/и(Л<,) Ю-3/час

Рис. 3 - Статистическая плотность распределения наработки до отказа угольного регулятора напряжения

Гипотеза 1.1. Плотность распределения наработки до отказа любого невосстанавливаемого изделия подчинена типовому закону распределения.

Типовая плотность распределения наработки до отказа является смесью трех законов распределения и имеет сложную аналитическую зависимость. Поэтому в научной литературе были даны только самые общие подходы к разработке аналитического описания типовой плотности распределения наработки до отказа.

В 60-е годы было установлено, что плотность распределения отказов на этапе старения хорошо согласуется с нормальным законом распределения. Исходя из этого, была получена упрощенная модель изделия, плотность распределения наработки до отказа которой, задана Гауссовым распределением. Подобную упрощенную модель принято называть элементом стареющего типа или стареющим элементом.

Выходным сигналом У СТЭ являются макропараметры процесса технической

эксплуатации (1).

В настоящее время основными макропараметрами, используемыми для описания си, являются интенсивность отказов для невосстанавливаемых изделий

ДЪ(Л'э/)'

(10)

N.

где Дпэ/ - число отказов на I интервале времени эксплуатации Д?е(ДГэ/)- £

У=1

суммарное приращение наработки изделий на I интервале времени эксплуатации Д/эг; Д/у -

приращение наработки _/ изделия на / интервале времени эксплуатации Л/э,-; » 1 - объем парка эксплуатируемых однотипных изделий, и параметр потока отказов для восстанавливаемых изделий

С0*(Л'э/) = -

(П)

ДГЕ(ДГэ;)

где Д«Э(- - суммарное число отказов парка однотипных восстанавливаемых изделий объемом М0

на интервале времени эксплуатации Л*£(А'э/) " приращение суммарной наработки

изделий на интервале времени эксплуатации Д?э,-.

В общем случае интенсивность отказов и параметр потока отказов являются функцией

времени эксплуатации СТЭ Сэ.

В соответствии с определением целенаправленной системы (I) - (9) можно представить выход реализации СТЭ как

где 5 - закон функционирования системы; И - ограничения СТЭ.

В данной работе принято три вида представления 5:

-аналитическое функциональное описание СТЭ, при котором выражение (12) представлено в аналитическом виде, позволяющем вычислить значение _>>(7Э) для любого /3 при любых исходных т,и и /г.

- графическое функциональное описание СТЭ, при котором зависимость (12) представлена в графическом виде;

- табличное функциональное описание СТЭ.

Отличительной чертой СТЭ является то, что они включают в себя самоорганизующийся процесс технической эксплуатации. Самоорганизующимся этот процесс следует считать потому, что множество влияющих на него входных сигналов л: заставляет элементы процесса А совершать хаотическое движение, которое, тем не менее, приводит к упорядоченности СТЭ и может быть описано законом функционирования (12). И. Пригожин назвал упорядоченность, возникающую в открытых нелинейных системах, далеких от равновесия и существенно связанную с рассеянием энергии, вещества или информации, диссипативными структурами. При изменении ограничений в процессе технической эксплуатации происходит самоорганизация, вызванная изменившимися условиями существования, возникает новая диссипативная структура, изменяется закон функционирования (12) и получается СТЭ, отличающаяся от исходной. В соответствии с законами синергетики, исследованными Дж. Марсденом, М. Мак-Кракеном, И. Пригожиным, С.П. Капицей, Г. Хакеном и др., это явление будем называть бифуркацией СТЭ.

В синергетике существует такое понятие как аттрактор — компактное подмножество фазового пространства динамической системы, все траектории из некоторой окрестности которого стремятся к нему при времени, стремящемся к бесконечности.

В данной работе будем рассматривать следующие возможные варианты аттрактора интенсивности отказов:

- притягивающая неподвижная точка;

- компактное подмножество фазового пространства вокруг притягивающей неподвижной

точки;

- периодическая траектория.

Точками бифуркации СТЭ

далее будем считать такие изменения ограничений системы которые при неизменном входе т приводят к изменению аттрактора интенсивности отказов.

Анализ научных трудов позволил найти точки бифуркации СТЭ и выполнить синтез классов моделей СТЭ.

В качестве общего ограничения для всех классов моделей СТЭ в данной работе принята неизменность входа системы т на протяжении жизненного цикла СТЭ. Вход т будем задавать параметрами плотности распределения наработки до отказа /(/) .

Также в качестве общего ограничения предполагается, что в момент порождения СТЭ все изделия в ее составе исправны и имеют нулевую наработку.

Все модели СТЭ можно разделить на модели с синхронной и асинхронной наработкой.

Синхронность наработки означает, что для любого времени жизненного цикла СТЭ О < /э < со выполняется равенство:

где и /у - наработка исправных изделий, принадлежащих СТЭ.

Асинхронность наработки означает, что для любого времени жизненного цикла СТЭ О < 1Э < оо выполняется неравенство:

Снятие ограничений базового класса или добавление к ним новых ограничений является точками бифуркации СТЭ, схема которых приведена на рис. 4.

Перечислим названия классов СТЭ:

1. Класс Л. СТЭ для проведения испытания на надежность.

2. Класс В. Модель гипотетической СТЭ для проведения испытания на надежность с

бесконечным множеством изделий.

3. Класс С. СТЭ, характеризуемая установившимся процессом эксплуатации до отказа парка однотипных невосстанавливаемых изделий.

4. Класс О. СТЭ, характеризуемой процессом эксплуатации до отказа парка однотипных невосстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.

5. Класс Е. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации по ресурсу парка однотипных

невосстанавливаемых изделий.

6. Класс Р. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации по ресурсу парка однотипных восстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.

7. Класс О. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации по ресурсу парка однотипных восстанавливаемых изделий с синхронной наработкой.

8. Класс Н. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации до предотказового состояния (метод эксплуатации по состоянию) парка однотипных невосстанавливаемых изделий с

асинхронной наработкой.

9. Класс I. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации до предотказового состояния парка однотипных восстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.

10. Класс 1. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации до предотказового состояния парка однотипных восстанавливаемых изделий с синхронной наработкой.

Ограничения СТЭ различных классов сведены в табл. 1.

Ограничение

Таблица 1. Ограничение СТЭ

Классы СТЭ

Синхронная наработка изделий

Дискретность Л,

Продолжительность этапа эксплуатации жизненного цикла

Начальный объем парка_

Замена отказавших изделий

Ремонт отказавших изделий

N3

Периодический ремонт

Замена изделий по

предотказовому

состоянию

Ремонт изделий по

предотказовому

состоянию

Замена изделий по выработке

назначенного ресурса

TV—>оо

N,

D

N,

N,

N,

N,

N,

Примечания:

1. Дополнительное ограничение класса С: t3—¥ оо.

2. Дополнительное ограничение класса A: t3 max <оо.

3. Дополнительное ограничение класса А: 1« N < оо, N3 = var.

4. Общее ограничение классов D - J: N3= const < оо.

5. Для классов F, G, Н и J предельным состоянием считается такое, при котором дальнейшие ремонты отказов становятся экономически нецелесообразны.

В настоящее время в теории надежности в технике отсутствует системный подход к построению моделей СТЭ. При этом по умолчанию предполагается, что изменение ограничений системы не приводит к структурному изменению СТЭ, а найденные законы являются универсальными. Поэтому явление бифуркации СТЭ не только не было исследовано ранее, но даже не упоминается в научно-технической литературе. Так, например, на рис. 1 было показано концептуальное несоответствие математических моделей потока отказов. На самом деле никакого противоречия нет. Данные модели относятся к разным классам СТЭ (рис. 5), поэтому они имеют разные законы функционирования и аттракторы.

Исследования, выполненные в данной работе, показали, что существующие в современной теории надежности в технике модели интенсивности отказов (по сути модели СТЭ) можно отнести к разным классам. Из них в настоящее время наиболее полно представлены аналитические модели СТЭ классов В и С.

Рис. 5 - Законы функционирования СТЭ классов А, В и С

В общем виде аналитического описания СТЭ классов А, О, О и ; в научных трудах найдено не было. Аналитически эти СТЭ представлены только марковскими моделями с тремя состояниями: исправное состояние, состояние разрегулирования и состояние отказа.. Однако данные модели имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что они являются частным гипотетическим случаем классов А, Р, в и Д.

Аналитическое описание СТЭ классов Е, Р, Н и I и их математические модели отсутствуют.

Таким образом, можно констатировать, что для построения законов функционирования СТЭ классов А, Б, Е, Я, Б, Н, I и ; необходимы новые подходы в научных исследованиях.

В настоящее время закон функционирования СТЭ класса А представлен графиками интенсивности отказов (10), полученными в ходе испытания на надежность.

Класс А это единственный класс СТЭ, продолжительность жизненного цикла которого 1Э конечно, и определено максимальной продолжительностью материального цикла изделия, полученной при испытании на надежность. Для остальных классов СТЭ ограничений на длительность ¡э не существует. Теоретически продолжительность жизненного цикла СТЭ классов . В - ] бесконечно. Решение о ликвидации СТЭ классов В - .Г может принять только верхний эшелон эксплуатирующей организации.

Практически все математические модели СТЭ класса В основаны на вероятностной модели мгновенной интенсивности отказов

зко = — <13>

Наиболее распространено следующее доказательство выражения (13).

Если на испытания поставить NЭ = N изделий, то в выражении (10) суммарное приращении наработки на I интервале времени испытания на надежность можно представить как Д/^ (Аг,-) = А'срД'/. где Ыср - среднее число исправных изделий на интервале наработки А/,-.

Если полученное выражение умножить и поделить на N. то можно связать плотность распределения наработки до отказа и интенсивность отказов при испытании:

N 1 А/т,- 1 Ап; N /(&,■)

N ЛГ (А/,-) А/ N М Л^Д/,) р*(А?/)

(14)

где р * (А<() = - вероятность безотказной работы изделия на интервале времени АГ,-.

Далее предлагается устремить At 0 и после замены дискретной переменной Д/, в выражении (14) на непрерывную переменную t будет получено искомое выражение (13).

Таким образом, на основе графического функционального описания СТЭ класса А было выведено аналитическое функциональное описание СТЭ класса В. Однако изменение ограничений на систему приводит к изменению ее структуры, т.е. закона функционирования. Для СТЭ класса А ограничением на систему является Д^ » 1, поэтому ввод ограничения At -» 0 является точкой бифуркации. В результате математически правильное для СТЭ класса В выражение (13) не является аналитическим описанием СТЭ класса А. Подробно эта явление исследовано во 2-й Главе.

Аттрактором модели класса В является компактное подмножество фазового пространства вокруг притягивающей неподвижной точки. Существующие математические модели класса В исходят из свойства выражения сходиться к неопределенности вида 0/0 при наработке t, стремящейся к бесконечности

А.(со) = lim ¿Щ, где lim f(t) = 0 и lim p(t) = 0.

/-*со p(t) /—»CO /-»00

В зависимости от характера раскрытия неопределенности 0/0 в современной теории надежности в технике различают несколько принятых в качестве международных классов моделей потока отказов. Упрощенные изображения этих моделей показаны на рис. 6.

Рис. 6 - Международная классификация моделей потока отказов в зависимости от законов плотности распределения наработки до отказа

Все классы плотности на рис. 6 построены на основе кривой интенсивности отказов для изделий с типовой плотностью распределения IFRA. Остальные классы IFR, DFR и UHR являются различными формами аппроксимации IFRA, отражающими те или иные вероятностные свойства и особенности данного распределения.

Не смотря на большое количество работ, посвященных закону функционирования СТЭ класса В, влияние формы закона распределения на положение притягивающей точки аттрактора до настоящего времени изучено недостаточно. Поэтому помимо четырех перечисленных выше классов плотности распределения наработки до отказа существуют не вошедшие в них экспоненциальное распределение

/э(0 = Хе~Х'

и гамма - распределение

¿.Ц+1

/г(0 = —-/

г Г(ц + 1)

-kt

где X - интенсивность отказов; к - параметр масштаба; |i - параметр формы;

со

Г(ц + 1) = jt^e 'i/l - гамма-функция.

О

Отличительной чертой СТЭ класса В с экспоненциальным распределением f-j(t) является неизменность интенсивности отказов в процессе испытания на надежность.

Особенностью СТЭ класса В с гамма распределением /г(1) является то, что положение аттрактора определяется коэффициентом формы Ц. При малых значениях ц интенсивность отказов асимптотически сходится к некой постоянной величине, а при больших значениях (i Xr(f)-> со.

На основании выполненного анализа можно сделать следующие выводы.

1. Из-за несовпадения притягивающих точек аттрактора, модели класса IFRA модель СТЭ класса В на основе выражения (13) имеет методическую погрешность по отношению к выражению (14) СТЭ класса А.

2. Классы моделей IFR, DFR и UHR имеют методическую погрешность по отношению

к классу моделей 1FRA.

3. Математические модели управления состоянием СТЭ при эксплуатации по ресурсу и до предотказового состояния, построенные на основании функциональных зависимостей моделей СТЭ класса В, характеризуются непредсказуемыми методическими погрешностями.

4. Современная теория статистической надежности не позволяет объяснить существование СТЭ класса С.

5. Из-за несовпадения притягивающих точек аттрактора, на основании закона функционирования СТЭ класса В можно построить только качественные модели СТЭ классов D, Е, F, Н, I и J.

В настоящее время модели СТЭ класса С находят наиболее широкое применение в теории структурной надежности. Полученные в процессе испытания на надежность и при эксплуатации до отказа статистические зависимости позволяют предложить гипотезу.

Гипотеза 1.2. Положение аттрактора интенсивности отказов СТЭ класса С обратно пропорционально средней наработке до отказа, найденной при испытании на надежность, и не зависит от закона плотности распределения наработки до отказа.

*.(«,) = lim Х(/Э) = Х = ±, (15)

Практика показывает, что при эксплуатации по ресурсу парка однотипных невосстанавливаемых изделий интенсивность отказов также сходится к простейшему потоку отказов. Это позволяет предложить следующую гипотезу.

Гипотеза 1.3. Положение аттрактора интенсивности отказов СТЭ класса Е определяется назначенным ресурсом и может быть меньше или равно положению аттрактора интенсивности отказов СТЭ класса С с одинаковой средней наработкой до отказа.

Аттрактор СТЭ класса С (15) характеризуется постоянной интенсивностью отказов при Х((э ->oo) = cons/ =Х. Подобный поток отказов принято называть простейшим потоком

отказов. '

При эксплуатации по ресурсу основным параметром управления состоянием СТЭ классов Е, F и G является назначенный ресурс. Поэтому назначение оптимального ресурса является важной практической задачей, решением которой занимались и занимаются многие исследователи. В то же время анализ научных трудов показал, что в настоящее время практически не существует моделей СТЭ классов Е, F и G за исключением уже упоминавшейся марковской модели класса G. Вместо них разработано множество моделей СТЭ класса G на основе закона функционирования СТЭ класса В, что приводит к грубым методическим погрешностям.

В целом для моделей СТЭ класса в на основе модели СТЭ класса В были выявлены следующие методические погрешности:

1. Интенсивность отказов /.(/), найденная при испытании изделия на надежность, по умолчанию приравнивается к показателю надежности Х(ГЭ,ТР) - интенсивности отказов парка однотипных изделий, эксплуатируемых по ресурсу Тр. В данных функциях I - наработка

конкретного изделия, характеризующая СТЭ класса В; /э - календарное время эксплуатации

парка однотипных изделий, характеризующее СТЭ классов Е, Р и в. Каких-либо доказательств адекватности такой подстановки не приводится.

2. Для описания процессов восстановления в статистической теории надежности наибольшее распространение получила модель восстанавливаемого изделия с бесконечным ресурсом. Применение для оптимизации ресурса модели изделия с бесконечным ресурсом приводит к невозможности практической реализации данных методов управления состоянием СТЭ.

Эксплуатация изделий до предотказового состояния предполагает выполнение периодического контроля. Целью периодического контроля является прогноз работоспособности объекта контроля на интервале времени до следующего периодического контроля. Если прогноз работоспособности объекта контроля на рассматриваемом интервале времени положителен, т.е. объект контроля сохранит свою работоспособность до следующей проверки, то его эксплуатация продолжается без выполнения каких-либо мероприятий по восстановлению надежности. Если прогноз отрицателен, то выполняются предусмотренные эксплуатационной документацией работы по восстановлению надежности данного объекта.

Практика технической эксплуатации показывает, что отказы можно разделить на внезапные и постепенные. Внезапный отказ - это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Постепенный отказ - это отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров' объекта.

Прогнозировать появление внезапного отказа невозможно, так как его появлению не предшествует какое-либо изменение контролируемых параметров объекта.

Появлению постепенного отказа предшествует деградационное изменение одного или нескольких определяющих параметров объекта контроля. Главная особенность определяющих параметров - это их монотонное изменение по мере снижения остаточного ресурса изделия. Это свойство определяющих параметров позволяет осуществлять прогноз работоспособности изделия. При отсутствии определяющих параметров прогноз работоспособности невозможен.

В управлении состоянием СТЭ классов Н, I и Д можно выделить два класса задач:

- назначение оптимальной периодичности контроля и величины упреждающего допуска;

- выбор метода прогнозирования состояния изделия, обеспечивающего адекватность системы прогнозирования.

В целом исследование моделей СТЭ класса I на основе модели СТЭ класса В, используемых в методах определения оптимальной периодичности контроля и величины упреждающего допуска, выявило следующие проблемные вопросы:

1. Модели на основе выражения (13) содержат грубые методические погрешности, аналогичные для моделей СТЭ класса С на основе модели СТЭ класса В.

2. При разработке моделей не рассмотрены вопросы методики и организации проведения испытаний для оценки параметров задействованных в моделях распределений и их вида. Это зачастую приводит к невозможности практической реализации алгоритмов.

Для решения проблемы повышения эффективности СТЭ необходимо разработать методы управления состоянием СТЭ. В свою очередь для разработки методов управления состоянием СТЭ необходимы адекватные модели СТЭ, в основе которых лежат модели процесса технической эксплуатации.

Анализ научных трудов показал, что возможны три альтернативы - три метода моделирования СТЭ: - аналитический, марковский и статистический.

Исследования показали, что аналитическое описание СТЭ класса A, D, Е, F, G, Н, I и J отсутствуют. Теоретические предпосылки для создания моделей D, Е, F, G, Н, I и J в настоящее время неизвестны.

Марковские модели СТЭ A, D, G и J предназначены для гипотетических изделий с тремя состояниями и поэтому не в состоянии описать реальные СТЭ.

Таким образом, единственным методом, позволяющим решить проблему повышения эффективности СТЭ, в настоящее время является метод статистического моделирования.

Эффективность системы - это в общем случае совокупность свойств, характеризующих качество функционирования системы, оцениваемое как соответствие требуемого и достигаемого результата.

Критерии оценки систем - правила или норма, позволяющие оценить эффективность системы, соответствие требуемого и достигаемого результата.

В области применения системы под ее эффективностью принято понимать степень соответствия результатов операции ее цели. Как было показано выше, цель системы S задается тройкой отношений г = (G(s),T(u),R). Исходя из практики технической эксплуатации целесообразно применение двух вариантов целевой функция G(s) и назначения критериев эффективности:

1. Экономический критерий эффективности СТЭ Уфин определяется как затраты на обеспечение процесса технической эксплуатации

Кфин ^фин

lim S{m,u)

(16)

где Офин - целевая функция, определяемая абсолютной или относительной стоимостью процесса

технической эксплуатации СТЭ при заданных (/и,м).

Экономический критерий эффективности СТЭ Уфш можно выразить в абсолютных или относительных затратах на эксплуатацию в рублях или единицах ремонтов для СТЭ с объемом парка N. за конечное календарное время эксплуатации /этах при заданных (т,и).

2. Критерий безопасности СТЭ Убт и определяется как уровень опасности процесса технической эксплуатации

V6m = G6m

lim S(m,u)

o

(17)

где Сбз„ - целевая функция, определяемая опасностью процесса технической эксплуатации при

заданных (т,и) (рис. 7).

Критерий безопасности С'ГЭ Уэфбзп может быть выражен значением установившегося

потока отказов Цгэ -> оо) (аттрактором СТЭ), при заданных (т,и).

Если вход т СТЭ известен, а вход и задан, то с помощью статистической модели данной СТЭ можно сделать прогнозы обобщенного экономического показателя качества СТЭ Уфин и

обобщенного показателя безопасности СТЭ У6з„.

Относительная функция допустимости Т(и) разбивает шкалу критериев эффективности Уфин и Убзп на Двс градации: зону недопустимых значений критерия и зону допустимых значений критерия.

Для экономического критерия эффективности Уфин зона допустимых значений (в

соответствии с (3) это отношение удовлетворительности Л) определяется минимально допустимым уровнем безопасности процесса технической эксплуатации Т6з„(и) (рис. 7 а)

Относительная функция допустимости Отношение удовлетворитетьности

Зона недопустимых значений 1фитерия по уровню безопасности

Зона допустимых значений _ критерия

Множество значений выполнения У-

Стоимость процесса эксплуатации

а). Шкала экономического критерия эффективности СТЭ.

Относительная фикция допустимости Отношение удовлетворительности

* -------^

Зона недопустимых значений критерия по уровню затрат на эксплуатацию Зона допустимых значений критерия

Множество значений выполнения Угт

Степень опасности процесса эксатуатацик

б). Шкала критерия безопасности СТЭ Рис. 7 - Шкала измерения критериев эффективности при оценке систем

Для критерия безопасности У6зп зона допустимых значений определяется максимально допустимым уровнем затрат на процесс технической эксплуатации Тфт (и) (рис. 7 б).

<= ^бзп >Тф1,„(и)- (19)

Для принятия решения по управлению состоянием СТЭ необходимо найти отображение Р(т,и)=уэф е 7. С учетом определения СТЭ (1) - (9) и выражений (18) и (19) эффективное

управление СТЭ иэф может быть найдено из отображения эффективного значения выполнения

(20) (21)

Уэффин еУфин =т™[&фин(т>и)] или

эфбзп

при условии и е С/', где V а и подмножество целесообразных управлений СТЭ.

Таким образом, любой метод управления состоянием СТЭ можно описать алгоритмом принятия решения (16), (17), (18), (19), (20), (21).

На основе результатов системного анализа были предложены концептуальные принципы управления состоянием СТЭ:

1. Для эффективного управления состоянием технических объектов необходимы количественные методы управления состоянием СТЭ.

2. Разработка количественных методов управления состоянием СТЭ возможна только на основе полных знаний о законах функционирования СТЭ.

3. Законы функционирования СТЭ различаются, поэтому не существует универсального аналитического аппарата, способного описать функционирование любой СТЭ.

4. Законы функционирования СТЭ определены действующими в системе ограничениями, используемыми в методологии управления состоянием СТЭ как квалификационный признак.

5. Существующие системные ограничения СТЭ в промышленности, авиации и железнодорожном транспорте позволяют выделить для исследования десять наиболее актуальных на настоящий момент классов СТЭ.

6. До настоящего времени не исследованы законы функционирования восьми классов СТЭ из десяти.

7. Статистическое моделирование является универсальным гносеологическим методом для исследования законов функционирования СТЭ.

8. Методы управления состоянием СТЭ делятся на два основных класса:

а). Методы управления состоянием СТЭ при постоянной надежности изделий, поставляемых промышленностью (методы управления состоянием СТЭ по отображению Р(т,и) = у).

б). Методы управления состоянием СТЭ по поддержанию заданной надежности изделий, поставляемых промышленностью (методы управления состоянием СТЭ по отображению й(х,у) = т).

9. Основной научно-практической задачей теории управления состоянием СТЭ является разработка общего методологического подхода к разработке методик управления СТЭ.

Структура взаимосвязей основных теоретических разделов предметной области, образующая методологию основ управления состоянием СТЭ, показана на рис. 8.

Для решения проблемы разработки методологических основ управления состоянием СТЭ необходимо разработать ряд теоретических разделов обобщенной теории управления состоянием СТЭ:

1. Модели СТЭ.

2. Законы функционирования СТЭ.

3. Методы управления состоянием СТЭ.

4. Методики управления состоянием СТЭ.

Во второй главе разработан один из основных теоретических разделов обобщенной теории управления состоянием СТЭ - модели СТЭ.

В настоящее время для построения моделей СТЭ применяется метод моделирования цепей Маркова, которые заданы переходной матрицей

и

Рпп=\ру-I. Ру* 0. =1-

н

где и число состояний изделия. Переключение состояний осуществляется с помощью генератора равномерно распределенных псевдослучайных чисел.

Исследования в рамках выполненной работы показали, что при п > 2 плотность распределения многомерных марковских изделий подчинена закону гамма распределения. Таким образом, было установлено, что марковские модели не адекватны физическим объектам, поскольку гамма распределение не отвечает условиям гипотезы 1.1.

Поэтому был предложен ресурсный метод моделирования потока отказов. Суть метода состоит в следующем. Каждой модели изделия, например, модели с порядковым номером _/, при вводе ее в эксплуатацию генератор псевдослучайных чисел задает остаточный ресурс /0у - время, в течение которого } модель проработает до отказа. Генератор псевдослучайных чисел, задающий остаточный ресурс, настроен либо на типовую плотность распределения наработки до отказа конкретного изделия, либо на один из типовых законов распределения, например, нормальный, гамма распределения или Вейбулла. На каждом шаге /э процесса существования

модели СТЭ остаточный ресурс всех моделей уменьшается на величину А/, равную шагу моделирования. С практической точки зрения во всех статистических моделях СТЭ, представленных в данной работе, выбрано ДГ =1 ч. Событие отказа и вывод _/' модели изделия из процесса технической эксплуатации возникает в тот моделируемый момент времени эксплуатации СТЭ /э, когда заданный остаточный ресурс /0у уменьшается до нуля.

Основные теоретические рп зделы предметной области |

— — Ь-

Юыипфикишм

т

Модл-Ш СТЭ

«'»ПрСДСК-НИК лЛпастп огуиппсиия СТЭ

_| ЦЛсММ1>|»чГШ1И кп^сса С*Г>

Х'ршернн эффективности СТЭ

1 г

XI 0,1011 невест лнллтплйеммч ШДеюЧ

в1чс1мж'9(васцьк тдеий

Методы оценки ,1Д«ЗЛГЖчТН

мо.юен (Т-?

■УннверсАтьны*

ПерОЛК"! <1С1Ы<

молен I С.Т'т»

¿дконы функшктлрокшим СТЭ

Законы

^ХНКЩЮКИ^ПННЯ

СТЗ кп.ксо» Е - О

Законы

ф}1028 Ю1 в 1рОВ МО 1Я кижхо* Ы • )

Метолкн управления состоянием СТЭ

М< годны! ндснти^вдрщ тле с се СГЭ

Метод или сбора статистических

данных

Методики упрямення состоянием СТЭ то отображению

Методнкн управления сооояниеи СТЭ ни отображение Г<г.;0 - ,г

Меюдтюцсн»» определяющего парадара

Мет о дики прогноза определяющего параметра

Методики назначежя ЛфЖШГШРГШ

контроля и ВС.ЕИМИНЫ упр ежд аюшег о допуска

состеяннгм СТЭ

Меюды управления состоянием СТЭ 1ю оюбр«жстшю

г\<пм) у

Методы управления сшпояннеы СТЭ 1ю отображению Г\х,у) - т

Методы Гфотоза определяющего параметра

Методы нячняченкя

периодичности клнтрлля и яе-дотнкг >1фежзиоше1 и допуска

Законы флтодпогацковлния <1ТЗ кчниов А • Г>

_ J

Рис. 8. Структура взаимосвязей основных теоретических разделов предметной области

Главным достоинством ресурсного метода моделирования потока отказов является возможность применения его к любым изделиям. В том числе и к гипотетическим многомерным марковским объектам.

Существующее аналитическое выражение для описания типовой плотности распределения наработки до отказа плохо пригодно для практического применения. Поэтому возникла задача разработки аналитического описания типовой плотности распределения.

Предполагается, что типовая плотность распределения наработки до отказа образована отказами по причинам КПН, СЛ и СТ. В обшем случае ее можно представить в виде смесевого распределения

ДО = Ркпн/кпн (0 + Рслкл (0 + рст/ст (0 • <22>

где Ркпн ~ вероятность отказа изделия по причине КПН; //отя(') ~ плотность распределения наработки до отказа по причине КПН; Род - вероятность отказа изделия по причине СЛ; /сд (О - плотность распределения наработки до отказа по причине СЛ; Р<£7- - вероятность отказа изделия по причине СТ; /ст(/) - плотность распределения наработки до отказа по причине СТ.

В отличие от существующего аналитического описания, предполагающего описание плотности распределения наработки до отказа по причине КПН законом Пуассона, предлагается описывать ее законом гамма распределения:

Т2 Т

где Ц№ = —1 и ккпн=-^гШ- - параметры гамма распределения;

51 кпн ®\кпн

2 Нкпн

кпн ~- X т< - средняя наработка до отказа по причине скрытых производственных

^КПН /=1

дефектов (конструктивно производственных недостатков - КПН); А^яН - число изделий, отказавших на испытаниях по причине КПН; т,- - наработка до отказа для каждого из

2 Мкпн _ . изделий; О]кпи =- ^ (т,-~Т\КПН) - оценка СКО распределения наработки до

\Нкпн~1 /=1

□О

отказа по причинам КПН; +1) = - гамма-функция.

О

Вероятность отказа изделия по причине КПН равна

5 _ м кпп

Ркпн—^>

где N - общее число изделий, поставленных на испытания.

Плотность распределения наработки до отказа на этапе старения предлагается описывать нормальным законом распределения

С-Г| ст)2

/сг(0 = -—2Й?ГГ • (23)

1 "ст

где Т1СТ =-^ Т,- - средняя наработка до отказа по причине старения; Мст - число

мст /-1

изделий, проработавших на испытаниях до отказа по причине старения;

1 СТ 2

ст = лгг,-Г 2 (т/ ~ тхст) - оценка СКО наработки до отказа по причине старения; Т.-

V "СГ ~1 /=1 - наработка до отказа для каждого из А'Ст изделия.

Вероятность отказа по причине старения равна

5 _МСТ

"ст —-•

N

Плотность распределения наработки до отказа по случайным причинам предлагается описать законом равномерной плотности распределения

> ,, ф-"Ц-при / < Т1СГ + о1сг-;

Усл(0 = у1СТ +С\СТ

О при I >

В работе интервал плотности распределения наработки до отказа по случайным причинам ограничен точкой ^СГ^^СГ > в которой скорость уменьшения плотности распределения наработки до отказа (23) максимальна.

Вероятность отказа изделия по случайным причинам равна

5

Рсл~~1Г•

где Н^л ~ общее число изделий, отказавших на испытаниях по случайным причинам.

В ЭВМ величина Рсд вычисляется из выражения

рсл-^-ркпн~рст-

Для аналитического описания типовой плотности распределения наработки до отказа (входного сигнала т СТЭ) необходимо найти следующие оценки:

Т\КИН> в]КПН> Т\СТ> 61СТ> РКПН 11 РСТ- (24)

В ходе системного анализа было установлено, что модель восстанавливаемого изделия с бесконечным ресурсом непригодна для моделирования СТЭ классов Р, в, I и предполагающих конечный ресурс изделий. Поэтому предлагается модель восстанавливаемого изделия, основанная на следующих предпосылках:

1. Рассматривается случай массовой эксплуатации изделий, образующих СТЭ.

2. Конструктивно каждое восстанавливаемое изделие является системой, состоящей из множества невосстанавливаемых элементов. Элементы конструкции восстанавливаемого изделия делятся на базовые и комплектующие изделия. Отказ базового элемента конструкции предполагает либо полную замену изделия, либо его восстановление путем выполнения среднего или капитального ремонта, который возможен только в заводских условиях. Отказ комплектующих элементов устраняется путем их замены в условиях эксплуатирующей организации. Плотность распределения наработки комплектующих элементов до отказа подчинена типовому закону распределения, ее можно построить по результатам испытаний.

3. Срок эксплуатации восстанавливаемого изделия ограничен наступлением его предельного состояния. Предполагается, что предельное состояние изделия наступает при

выработке им назначенного ресурса Тпр. Назначенный ресурс изделия 7]ф - это заданная для

всех изделий данного типа некая неслучайная величина. Изделие, выработавшее назначенный ресурс, снимается с эксплуатации и заменяется новым однотипным изделием с нулевой наработкой 1. Предполагается, что до наступления предельного состояния вероятность отказа базовых элементов конструкции является малой величиной, и поэтому ею можно пренебречь.

4. Отказы комплектующих элементов одного восстанавливаемого изделия на протяжении всего назначенного ресурса являются редкими событиями, не образующими стационарного потока событий.

5. Если техническая документация на изделие требует проведения планово-предупредительных мероприятий по восстановлению надежности (выполнение регламентных работ, средний или капитальный ремонт и т.п.), то проведение этих мероприятий осуществляется с периодичностью межрегламентного (межремонтного) ресурса Грр. Число планово-

предупредительных мероприятий, которые можно выполнить на одном изделии, конечно и равно отношению между назначенным и межрегламентным ресурсами.

При моделировании будем исходить из того, что после i -го ремонта восстанавливаемого изделия, имеющего наработку , его плотность распределения наработки до отказа будет описана выражением

где P(tt) = \—^f(t)dt - вероятность безотказной работы восстанавливаемого изделия на О

интервале от 0 до ; f{t) - плотность распределения наработки до первого отказа, полученная при испытаниях восстанавливаемого изделия.

Для всех отказов в области наработки от ty до со плотность наработки до отказа после

каждого очередного ремонта п будем считать одинаковой и распределенной по экспоненциальному закону

71у

где t„ - наработка восстанавливаемого технического устройства до отказа под номером и,

00

ty < t„ < t < 00; f\y= J/* (t)tdt - среднее время наработки до отказа на интервале большем ty. 'г

Величина ty это 5% гамма-процентная наработка до первого отказа восстанавливаемого изделия:

'г

P(ty) = 1- \f{t)dt = 0,05. О

Вероятность P(ty) = 0,05 была установлена опытным путем.

Для исследований в области моделирования СТЭ и разработки методологии управления состоянием СТЭ было разработано оригинальное программное обеспечение для военной и гражданской авиации, а также железнодорожного транспорта общим размером более 63 Мбайт. Используемая среда программирования - Borland Delphi 7 Enterprice.

Структурная схема статистической модели СТЭ авиационной части представлена на рис. 9 и состоит из следующих основных элементов, взаимодействующих в процессе технической эксплуатации.

Модель изделия. При статистическом моделировании реальные изделия заменяются моделями. Как и моделируемый объект, его модель характеризуется техническим состоянием, эксплуатационными параметрами (время замены или восстановления), остаточным ресурсом и параметрами надежности.

Результаты испытаний

Авиазавод

Задание параметров надежности объектов АТ

Летная эксплуатация

Ввод

в эксплуатацию

^ / - наработка объема АТ

Парк обь екгов АТ

I . ! Списание

Объекты АТ

1Э - наработка парка АТ

Техническая эксплуатация

Формулфы

Управление ТО и Р

I

КУН

Инженерный отдел

Результат

эксперимента

Рис. 9 - Структурная схема статистической модели СТЭ

В процессе технической эксплуатации одновременно находится Л^ моделей однотипных изделий. Каждая модель входит в состав модели самолета и представляет собой структуру данных в оперативной памяти ЭВМ, где хранятся: идентификационный (порядковый) номер модели, бортовой номер самолета, на котором она установлена, и ее техническое состояние. Модель может находиться в следующих технических состояниях: работоспособное, неработоспособное (отказ), ожидание очереди на ремонт, ремонт восстанавливаемого изделия или замена невосстанавливаемого изделия, ожидание в очереди на выполнение периодических (регламентных) работ, выполнение периодических (регламентных) работ, ожидание в очереди на замену по выработке назначенного ресурса, выполнение работ по замене при выработке ресурса.

Если происходит отказ модели невосстанавливаемого изделия, то она выбывает из процесса технической эксплуатации (списывается). Если метод технической эксплуатации предусматривает замену отказавших невосстанавливаемых изделий при отказе или при выработке назначенного ресурса, то выбывшая модель невосстанавливаемого изделия заменяется новой. Время замены невосстанавливаемого изделия складывается из времени ожидания ремонта и времени замены.

Отказавшая модель восстанавливаемого изделия возвращается в работоспособное состояние после ремонта. На время ожидания ремонта и регламентных работ, а также при выполнении ремонта и регламентных работ модель восстанавливаемого изделия и модель самолета, на котором она установлена, не участвует в процессе летной эксплуатации. Если метод технической эксплуатации предусматривает замену восстанавливаемых изделий при выработке назначенного ресурса, то выбывшая модель изделия заменяется новой. В этом случае при выработке назначенного ресурса модель восстанавливаемого изделия выбывает из процесса технической эксплуатации (списывается).

Число запасных моделей изделий не ограничено.

Время ожидания ремонта и время ожидания замены по ресурсу являются случайными величинами, и зависит от загрузки групп обслуживания и ремонта.

Регламентные работы на модели изделия совмещены с регламентными работами на модели самолета, на котором она установлена. Время ожидания регламентных работ является случайной величиной и определяется наличием свободных мест в технико-эксплуатационной части для размещения самолета на регламентные работы.

Время ремонта или замены изделия это случайная величина, подчиненная закону гамма распределения с заданными параметрами распределения:

Г2 1

/> = —|—1 - параметры гамма распределения; Ть —-/ и

б/в = I-¿('в/ — Тп)~ - среднее время восстановления и СКО времени восстановления;

/в(- - время восстановления /-го изделия, получаемое путем хронометража реального процесса восстановления; Nъ - объем выборки восстановленных изделий; Т(Ь +1) = Ы - гамма функция.

При моделировании СТЭ классов О Е й Н и ! может осуществляться мгновенная замена и восстановление изделий.

Формуляр изделия. Электронные формуляры сопровождают эксплуатацию каждой модели изделия. В формуляре отображаются время ввода ее в эксплуатацию, наработка модели, остаток межремонтного и межрегламентного ресурса, заданный остаточный ресурс, время восстановления (замены) при ремонте, число отказов и др. Если модель выбывает из процесса технической эксплуатации, то она списывается, т.е. ее формуляр обнуляется. Если вместо выбывшего изделия в процесс технической эксплуатации вводится новое изделие, то на него заводится новый формуляр. Парк изделий. Совокупность моделей изделий, установленных на самолетах, составляют СТЭ. Парк изделий функционирует в процессах летной и технической эксплуатации. За основу календарного плана работы и распорядка дня взята типовая организация летной работы авиационной части фронтовой авиации в мирное время.

Летная эксплуатация. По мере увеличения налета самолетов, участвующих в процессе летной эксплуатации, у моделей изделий, установленных на этих самолетах, увеличивается наработка ? и одновременно уменьшается заданный остаточный ресурс ?0. При уменьшении остаточного ресурса до нуля модель изделия переходит в состояние отказа. Изменение наработки и остаточного ресурса модели изделия отображаются в ее формуляре.

Техническая эксплуатация. При достижении наработки модели изделия заданного ресурса (/ > Тр) или при отказах на модели выполняются работы, предусмотренные методом технической

эксплуатации. Все работы, выполненные на изделиях в процессе технической эксплуатации, и производственные показатели выполнения этих работ отображаются в формулярах соответствующих моделей. События отказа фиксируются в электронных карточках учета неисправностей (КУН). Итоговая информация по технической эксплуатации накапливается в базе данных инженерного отдела.

Авиазавод. Модели изделий «изготавливаются» на авиазаводе. Производство модели изделия заключается в том, что в соответствующую ячейку записывают состояние изделия «работоспособно», и на него заводится формуляр с нулевой наработкой. Каждой модели изделия с порядковым номером у при вводе ее в эксплуатацию задается остаточный ресурс /0у - время, в

течение которого ] модель проработает до отказа. Соответственно, событие отказа и вывод ] модели изделия из процесса летной эксплуатации возникает в тот моделируемый момент времени эксплуатации когда заданный остаточный ресурс уменьшается до нуля. В процессе

производства моделей генератор случайных чисел, распределенных по типовому закону наработки до отказа, задает каждой модели изделия свой остаточный ресурс. Таким образом, для всего парка

одновременно эксплуатируемых моделей изделий заданный остаточный ресурс /0у, у = 1, Nэ это

выборка случайной величины объемом Иэ. Адекватность моделирования СТЭ по входу обеспечивается настройкой генератора случайных чисел.

где а -

Т -2

Инженерный отдел. Инженерный отдел, в соответствии с заданным методом технической эксплуатации и ремонта, решает задачи организации технической эксплуатации, накопления и обработки статистических данных по формулярам и КУН. Модель инженерного отдела осуществляет вывод результатов эксперимента в виде графиков. Таким образом, инженерный отдел задает класс СТЭ и вырабатывает исходные данные для управления системой.

Главным достоинством статистических моделей СТЭ является то, что они позволяют рассматривать в качестве выходного сигнала вектор У, а не только интенсивность отказов. Поэтому в вектор У входят десять таких показателей надежности как интенсивность отказов

X (/э) для СТЭ классов А, В, С, И, Е и Н; параметр потока отказов *С0 (/э) для СТЭ классов Р, О,

I и Д, средняя наработка изделий (/э); осредненный показатель средней наработки 7^;

эксплуатационная плотность распределения наработки до отказа /~э (I); эксплуатационная

средняя наработка до отказа 7]э; эксплуатационное СКО распределения наработки до отказа СТ1э;

средняя наработка на отказ Т((э); осредненная средняя наработка на отказ Т; функция времени

эксплуатационной средней наработки на отказ 7^(/э); эксплуатационная осредненная средняя

наработка на отказ Тэ.

Индекс «э» в оценках показателей надежности 7[э, С|3, и (/) означает, что

данные показатели получены на основании статистических данных, собранных в процессе технической эксплуатации (например, в авиации по КУН).

Решение проблемы повышения эффективности СТЭ промышленных и транспортных объектов в условиях несоответствия существующих математических моделей СТЭ и статистических данных выдвигает вопрос о критериях адекватности статистических моделей СТЭ..

В общем случае применительно к моделям СТЭ классов А - Л будем различать критерии адекватности по входу М и критерий адекватности по закону функционирования.

Под критерием адекватности статистических моделей по входу т далее будем понимать совпадение графика плотности распределения наработки до отказа изделия, полученного при испытании на надежность, и соответствующего графика генератора случайных чисел

'шах

¡[/\о-/:тит<е, (26)

о

где / (/) - плотность распределения наработки до отказа генератора случайных чисел; /ст (/) -плотность распределения наработки до отказа изделия, полученная при испытании на надежность; е - некое положительное наперед заданное число; /тах - продолжительность испытания на надежность.

Как было показано выше аналитического описания законов функционирования моделей СТЭ Е, Р, в, Н, I и Д не существует, а их модели на основе моделей класса В дают только качественную оценку. Это не позволяет сравнить конечные результаты статистического моделирования нужных классов с соответствующими результатами аналитических расчетов. Таким образом, возникает важная практическая задача обеспечения адекватности статистических моделей СТЭ по выходу.

Предлагаемый вариант решения данной задачи основан на том, что алгоритм реализации процесса технической эксплуатации по выражению (12) единообразен для всех классов моделей А - Д. При этом отличие закона функционирования моделей различных классов определяется только ограничениями А на систему. Если модель СТЭ позволяет изменять ограничения А, то это дает возможность переключать ее в любой из классов А - Д. Это, в свою очередь, позволяет построить универсальную переключаемую модель СТЭ со схемой переключения, показанной на рис. 4. Главным достоинством предлагаемой модели является то, что ее адекватность по выходу можно проверить путем переключения в режимы А, С и О, для которых известны аналитические законы

функционирования. Если в этих режимах закон функционирования аналитической и статистической модели совпадут, то можно утверждать, что модель будет адекватна и в остальных режимах, поскольку изменение ограничений на систему не меняет алгоритм взаимодействия составных частей модели в процессе технической эксплуатации (рис. 2 и 9).

Исходя из этого, для проверки адекватности модели по выходу У она переключается в класс О. В качестве эталонной модели выходного сигнала Л(/э) используется марковская модель класса И, предложенная профессором ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского Е.А. Румянцевым. Данная модель описывает эксплуатацию объекта с тремя состояниями (рис. 10), из которых 5д -состояние отказа, ^ и ^ - работоспособные состояния.

Плотность распределения наработки до отказа изделия с тремя состояниями хорошо согласуется с законом гамма распределения

/(0=^-'"е-*, (27)

(&)-КЗ

Рис. 10. Марковская модель объекта с тремя состояниями

где и к =

П/1 + 1)

параметры гамма распределения;

°Т

1 "

7| =—У/Г, - средняя наработка до отказа при испытании ^ х=1

изделия на надежность; Г,-- наработка до отказа для каждого из N изделий;

оценка СКО распределения наработки до отказа;

n

Г(/и +1) = je '/^сЛ - гамма - функция. 0

Интенсивность отказов - выходной сигнал данной модели СТЭ класса Б определяется выражением

Ч'э) = А20е

(28)

В качестве эталона для моделей класса О предлагается использовать объект с тремя состояниями и интенсивностями перехода

/^0=5,0 10"3/ч; Я20 =0,05 103/ч; -10,05 10"3/ч, (29)

который имеет параметры распределения наработки до отказа:

Ту =283,5 ч; <7, =219,7 ч; //=0,665; к =0,00587. (30)

Пример проверки адекватности по выходу У универсальной переключаемой модели СТЭ в режиме классов С и Е> показан на рис. 11.

На рис. 11 обозначены:

1 — эталонная аналитическая модель СТЭ класса С (15);

2 — эталонная аналитическая марковская модель СТЭ класса О (28);

3 — оцениваемая универсальная переключаемая статистическая модель СТЭ в режиме класса О (пример адекватного моделирования по входу М и выходу У);

4 — оцениваемая аналитическая модель СТЭ класса В (13) в режиме класса О (пример адекватной по входу М модели СТЭ неадекватной по выходу У).

Рис. 11. Оценка адекватности универсальной переключаемой модели СТЭ по выходу У в

режиме классов СвЭ

Таким образом, возможность переключения универсальной модели СТЭ (рис. 9) в классы А, О и С гарантирует ее адекватность по входу М и выходу У при моделировании моделей классов Е, Б, С, Н, I и в.

В третьей главе выполнены фундаментальные исследования законов функционирования СТЭ, являющиеся важным теоретическим разделом обобщенной теории управления состоянием СТЭ.

При исследовании закона функционирования СТЭ класса А моделировался гипотетический случай постановки на испытания N = 100 ООО невосстанавливаемых изделий с различными законами распределения.

Поток отказов, порождаемый СТЭ класса А можно охарактеризовать как нестационарный поток отказов с последействием, тогда как нестационарный поток отказов класса В последействия не имеет. Поэтому СТЭ классов А и В имеют различающиеся законы функционирования, что хорошо видно по результатам моделирования на рис. 1 и 5.

Исследование методических погрешностей СТЭ класса В позволило выявить закономерности, позволяющие синтезировать аналитическую модель СТЭ класса А, образованной элементами стареющего типа.

Если плотность распределения наработки до отказа стареющего элемента подчинена нормальному закону /дг(?)1 N(7],О]), то для каждого дискретного момента наработки /, =(/ — 0,5)Д/, являющегося серединой интервала можно найти вероятные значения

приращения числа отказов и среднего числа работоспособных изделий для исходных N изделий, поставленных на испытания:

Ал,- = ЛТ1 - )].- - = ЩГ(А1,) - )]

* а^ Т <

где

^(г,-) = Ф* 1 - функция распределения наработки до отказа,

е °1 0

Отсюда можно получить дискретную вероятностную модель интенсивности отказов при испытании на надежность

Результаты построения графиков закона функционирования СТЭ класса В по (13) и класса А по (31) показаны на рис. 13.

но

I О'3¡час

200 220 240 250 280 300 320 ЗйЭ [ Ц(1£

Рис. 12. Законы функционирования СТЭ элементов стареющего типа классов А и В при различных значениях интервала дискретизации Д/ (час)

Данные эксперименты показали, что при любом значении интервала А? графики

аналитической модели СТЭ класса А, образованной элементами стареющего типа, Хд(г) и

*

универсальной переключаемой модели СТЭ X (?) близки между собой. Данный результат также хорошо согласуется с результатами испытания на надежность реальных изделий.

В ходе экспериментов было выявлено, что при любых Д/ не наблюдается совпадения графиков Х(?) по (13) и Хд(?) по (31). При сравнении этих моделей с результатами испытания на надежность было установлено, что по завершению испытаний при наработке 2950 часов методическая погрешность модели составила примерно 200%, тогда как случайная

погрешность модели (/) в этой же точке составила всего 22%.

Были исследованы законы функционирования СТЭ класса О с различными законами распределения. Для типовой плотности распределения наработки до отказа график X (1Э) СТЭ класса Б показан на рис. 14. Колебания графика на рис. 13 вызваны заменой отказавших изделий.

я'сд

10"3/ч ас

0 500 1 МО 1 500 2 000 2 50С 3000 3 500 4 «Ш 45001Э,ЧОС

Рис. 13. Интенсивность отказов СТЭ класса Э невосстанавливаемых изделий с типовой плотностью распределения наработки до отказа

Были исследованы законы функционирования СТЭ класса Е с законами распределения, аналогичными классу I). Для типовой плотности распределения наработки до отказа график

X (¿э) СТЭ класса Е показан на рис. 15. Как это следует из результатов моделирования, переход

от класса Б к классу Е позволил снизить X с 4,6 10"3/ч до 1,13 10"3/ч.

На рис. 16 и 17 показаны законы функционирования СТЭ класса в с эксплуатацией до предельного состояния без среднего и капитального ремонтов.

Рис. 14. Интенсивность отказов СТЭ класса Е невосстанавливаемых изделий с типовой плотностью распределения наработки до отказа

Рис. 15. Параметр потока отказов СТЭ класса О в условиях продленного ресурса:

Тп = 500ч.; СО* =26,6 10"3/ч

нр

Рис. 16. Параметр потока отказов СТЭ класса в при = 200 ч.; Ю* = 1,1 10"3/ч

На рис. 16 показан случай эксплуатации восстанавливаемого изделия в условиях продленного ресурса Т^р, и рис. 17 при оптимизированном назначенном ресурсе. Данные

результаты иллюстрируют снижение уровня безопасности при эксплуатации изделий в условиях продления ресурса.

Кроме того были выполнены аналогичные исследования законов функционирования СТЭ класса F.

На основании исследования законов функционирования были выведены гипотезы:

Гипотеза 3.1. При эксплуатации парка однотипных изделий до отказа (СТЭ класса С)

статистическая эксплуатационная плотность распределения наработки до отказа fj(t) и ее

параметры распределения совпадают с плотностью распределения наработки до отказа f (/) и ее параметрами распределения только в том случае, если статистика по отказам собрана в установившемся режиме эксплуатации.

Гипотеза 3.2. Если статистика по отказам собрана в установившемся режиме эксплуатации парка однотипных изделий до отказа (СТЭ класса С), то она позволяет построить плотность

распределения наработки до отказа f (I) и найти ее параметры распределения.

Гипотеза 3.3. Законы функционирования СТЭ не зависят от внутренней структуры изделий и определяются только ограничениями на систему, ее внутренними связями и формой графика плотности распределения наработки.

Исследование законов функционирования СТЭ позволило сделать следующие выводы:

1. По завершению переходного процесса СТЭ классов D, Е и F образуют простейшие потоки отказов. Только СТЭ с синхронной наработкой изделий классов G и J не образуют стационарных потоков отказов. При одинаковых законах распределения наработки до отказа переходный процесс СТЭ класса Е более затянут, чем у СТЭ класса D.

2. Исследование законов функционирования СТЭ классов С - F подтвердили гипотезы 1.2 и

1.3.

3. Не существует решения обратной задачи - определения формы или закона распределения наработки до отказа по известной функции X (/э) или Сù*(t3) СТЭ классов D, Е, F и G.

На основании выполненных исследований можно предложить практические рекомендации, необходимые для управления состоянием СТЭ:

1. Сбор статистической информации на переходном участке эксплуатации является причиной методических ошибок при вычислении показателей надежности СТЭ. Возможность возникновения подобных методических ошибок необходимо учитывать при обработке статистической информации по карточкам учета неисправностей.

2. Для оценки показателей надежности 7j и f (/) СТЭ класса D можно использовать статистику по отказам, накопленную в установившемся процессе технической эксплуатации.

3. Вследствие гипотезы 3.3 для построения адекватных по входу и закону функционирования моделей СТЭ классов D, Е, F и G достаточно того, чтобы плотность распределения наработки до отказа имитационной модели изделия имела такую же фарму кривой, как и у плотности, полученной статистически.

4. В случае типовой плотности распределения наработки до отказа существует некий назначенный ресурс, при котором интенсивность отказов СТЭ класса Е будет минимальной. Этот вывод является обоснованием для практической реализации управления состоянием СТЭ класса Е.

5. Если парк изделий эксплуатируется по ресурсу, то информация по отказам, собранная в процессе технической эксплуатации по карточкам учета неисправностей, не позволяет получить

показатели надежности 7] и f (t). Статистические данные по карточкам учета неисправностей не позволяют даже приближенно найти оценку интенсивности отказов.

6. При эксплуатации по ресурсу возрастает роль и значимость проведения заводских испытаний на надежность, так как эксплуатационные данные по отказам не позволяют в полной мере уточнить их результаты.

В четвертой главе разработан один из важных теоретических разделов обобщенной теории управления состоянием СТЭ, посвященный методам управления состоянием СТЭ.

Основными сигналами управления состоянием СТЭ классов Е и И является назначенный ресурс невосстанавливаемых изделий Тр, межрегламентный (межремонтный) ресурс

восстанавливаемого изделия Трр и назначенный ресурс восстанавливаемого изделия 7^р.

Отображение Р(т,и) = у является моделью реакции СТЭ на сигналы управления. Для построения отображения Р(т,и) = у строится множество реализаций модели СТЭ, показанной на рис. 9, с нарастающим значением сигнала управления. Эти реализации выходного сигнала СТЭ позволяют построить множества значений выполнения V и целевую функцию С(х,5'(д:)) (3) и (4) по критериям (20) или (21). Алгоритм построения целевой функции С(х,5(х)) показан на рис. 18

С учетом результатов исследования законов функционирования СТЭ предлагается назначение ресурса Тр, Трр или Тир по одному из двух критериев:

1. По экономическому критерию эффективности СТЭ Уфин (16). В этом случае эффективным управлением СТЭ иэф будет такой ресурс Тр, Трр или Тир, при котором эффективное значения выполнения (20), выраженное через стоимость ремонтов и замен изделий по выработке ресурса, будет минимальным при обеспечении минимально допустимого уровня безопасности.

2. По критерию безопасности СТЭ У6зп (17). В этом случае эффективным управлением СТЭ иэф будет такой ресурс Тр, Трр или Гнр, при котором эффективное значения выполнения

уэфбзп (21)> выраженное через параметры Х(Гр), ш(Грр) или ю(Гнр), будет минимальным при

обеспечении приемлемых затрат на эксплуатацию.

Основными результатами работы алгоритма построения множества значений выполнения V являются график зависимости А. * (Тр) и совмещенный график зависимости числа отказов

и(Гр) и замен Ыг(Тр) за время испытаний Гисп от ресурса Тр. Оценка осредненной интенсивности отказов X (Тр) для текущего значения Тр вычисляется как

1 п(Тв) р N Т

1 * э 1исп

При использовании критерия безопасности СТЭ У6зп выбирается такой ресурс, отличный от нуля, при котором функция X (Тр) принимает минимальное значение А.т;п.

Если функция X (Гр) не имеет экстремумов, то используется экономический критерий эффективности СТЭ Уфин. В этом случае выбирается такой назначенный ресурс, при назначении которого выполняется равенство

кСАТр)=кС2М3(Тр),

где к су - средняя стоимость замены отказавшего изделия; к^ 2 _ средняя стоимость плановой замены отказавшего изделия по выработке ресурса.

Выполненные исследования показали, что адекватность по входу моделей СТЭ с типовой плотностью распределения наработки до отказа можно обеспечить, если только располагаемый объем выборки по отказам N, полученный при испытании на надежность, составляет не менее

Рис. 17. Структурная схема алгоритма для построения множества значений выполнения V и

целевой функции G(х, S(x))

400-500. Уменьшение N сказывается, прежде всего, на точности оценок д\, й|кпн и **1СТ-Поэтому если N мало, то целесообразно перейти к упрощенным моделям входного сигнала. Переход к упрощенным моделям входного сигнала позволяет уменьшить неопределенность результатов моделирования, вызванную относительно большой величиной £ в выражении (26). Исходя из этого, в зависимости от располагаемого объема выборки N предлагается находить осторожный, уточненный или оптимальный назначенный ресурс СТЭ классов Е и Р 7^,опт.

При решении практических задач по управлению состоянием СТЭ класса Е в случае минимальной информации о надежности (N<100) для назначения осторожного ресурса целесообразно использовать эмпирический метод:

»0,771.

Если располагаемая выборка об отказах имеет средне представительный объем 100< N <400, то оценка СКО распределения наработки до отказа О] становится эффективной для решения практических задач. В этом случае для описания статистической плотности распределения наработки до отказа целесообразно использовать гипотезу о гамма распределении (27) и экономический критерий эффективности СТЭ Уфия (20). Оценку 7'р0ПТ, полученную по результатам обработки средне представительной выборки, предлагается называть уточненным назначенным ресурсом Тр.

При располагаемом объеме выборки N>400 предлагается использовать модель типового закона распределения наработки до отказа и один из критериев Уфин (20) или Убзп (21).

Найденную при этом оценку 7^01ГГ предлагается называть оптимальной.

В практике эксплуатации авиационной техники для решения задач управления состоянием СТЭ классов Б в качестве показателя отображения

Отображение 0(х, у) — т является моделью, позволяющей оценить надежность изделий, поставляемых промышленностью. Для управления состоянием СТЭ класса Е на основе отображения И{х,у) = т предлагается следующий метод.

Пусть по результатам испытаний получена типовая плотность распределения наработки до отказа невосстанавливаемого изделия с типовым распределением. Предполагается эксплуатация этого изделия с назначенным ресурсом Т^. В этом случае ожидаемую эксплуатационную

плотность распределения наработки до отказа при ¡э —> со можно найти как

У (О

при о <; I < г.

Ч(ТрУ г р' (32)

0, при {>Тр,

тр

где <](Тр) - | /*- вероятность отказа изделия на интервале наработки от 0 до Гр. 0

На основании (32) можно найти ожидаемую среднюю наработку до отказа при эксплуатации изделия до выработки ресурса 7]э

Тъ =

я(тр) 30

В процессе технической эксплуатации оценку Т\э можно найти на основании статистических данных о наработке отказавших изделий по карточкам учета неисправностей

О /=1

где N0 - объем выборки отказавших изделий; т,- - наработка /'-го отказавшего изделия по карточкам учета неисправностей, / = 1, /V0 .

Если показатель 7]э и ее оценка 7]э известны, то управление состоянием СТЭ класса Е па отображению D(x,y)~m сводится к обеспечению равенства данных показателей в процессе технической эксплуатации.

Очевидно, что показатель распределения генеральной совокупности 7|э и его

статистическая оценка 7}э не могут совпадать численно. Поэтому возникает задача выбора наиболее вероятной параметрической гипотезы. Их три: //q : 7j3 = 7j3, 7/| : T\3 >T\3 и Н2 ■ <ТЬ. При решении задачи по проверке этих параметрических гипотез будем исходить из того, что 7]э является математическим ожиданием генеральной совокупности, а 7}э выборочным математическим ожиданием. Данная задача является типовой задачей математической статистики, однако, решение подобных типовых задач предполагает, что генеральная совокупность распределена по нормальному закону.

Исследования показали, что при любом законе распределения плотности f3(t) вследствие

центральной предельной теоремы плотность распределения статистической оценки 7]э быстро сходится к нормальному закону при увеличении объема выборки N0. Поэтому уже при объеме выборки N0 >25 распределение статистической оценки Т\э неотличимо от нормального закона. В этом случае для выполнения проверки параметрических гипотез можно использовать типовые методы математической статистики и и -критерий:

y' _у1

Наблюдаемое значение критерия ип = —-—JN0 , Критическое значение

ст1э

икp=arg<I> — ~Ч|. где arg® - обратная функция Лапласа.

< щф для заданной доверительной вероятности

а, то принимается гипотеза //0:7[э = 7]э. Надежность изделия соответствует заявленной

промышленностью, поэтому можно продолжать его дальнейшую эксплуатацию.

j _ji

Если выполняется условие —^—-— *JN0 < ~ик„, то принимается гипотеза //[ : 7]э > 7[э.

ст1э

Принятие этой гипотезы говорит о снижении надежности изделия. В этом случае необходимо

проведение рекламационной работы.

f _

Если выполняется условие —^-— >ик„, то принимается гипотеза Н2 '■ Т\Э<Т\Э.

аь

В этом случае можно говорить о повышении надежности изделий, поставляемых промышленностью. По согласованию с промышленностью целесообразно увеличить назначенный ресурс 7р.

Исследования показали, что закон функционирования СТЭ классов Н, I и J в значительной степени зависит от метода прогноза определяющего параметра. Поэтому предлагается один из

Если выполняется условие

подходов к разработке метода прогноза технического состояния изделия в СТЭ класса Н. В качестве целевой функции прогнозирования предлагается рассмотреть обеспечение максимума критерия адекватности системы прогнозирования

отказов в выборке объемом Л^ » 1; Nд - число ошибочных прогнозов приведших к отказу по

N

деградационным причинам; 2э/ЛЛ7 = —~ " вероятность внезапного отказа.

^о

Можно выделить два основных типа моделей деградационных процессов изделий.

У модели изменения деградационных процессов первого типа определяющий параметр х(/) монотонно изменяется с начала эксплуатации с примерно одинаковой для всех изделий скоростью х. Примером такого объекта контроля являются щетки генераторов, электродвигателей, электромашинных преобразователей и т.п. Зная приблизительную скорость износа щеток, можно измерить их высоту х, для того, чтобы с достаточной для практических целей точностью определить их остаточный ресурс.

У модели изменения деградационных процессов второго типа скорость изменения параметра х принимает свое примерно постоянное значение, начиная с некоторого начального момента времени , характеризующего начало этапа старения. Такое изменение определяющего параметра характерно для различных механических изделий. В качестве примера можно привести жесткость знакопеременно нагружаемых конструкционных деталей и строительных конструкций.

В работе рассматривались объекты с деградационными процессами второго типа.

В общем случае будем предполагать, что плотность распределения наработки до отказа изделий рассматриваемого типа подчинена типовому закону.

Выполненные исследования показали, что при прогнозировании технического состояния парка однотипных изделий, эксплуатируемых до предотказового состояния, невозможно удовлетворить требованием одновременно двух целевых функций прогнозирования: минимума погрешности прогноза и максимума Поэтому в качестве наиболее целесообразного метода прогноза предложен метод прогноза линейной экстраполяцией по одному измерению.

В этом случае прогнозируемое время отказа /пр 0 будет равно

где х = Л/[х] - скорость деградационного процесса изделий данного типа по множеству реализаций; /у - наработка изделия при текущем измерении определяющего параметра х(/у); Хд - допустимое значение определяющего параметра.

Если 'прото можно предположить, что за промежуток времени до

очередного контроля, равный Т^, прогнозируемое значение параметра хпро(0 выйдет за границу хд. При таком неблагоприятном прогнозе изделие необходимо снимать с эксплуатации

для замены или ремонта.

В случае применения метода прогноза по одному измерению технология контроля изделия сводится к сравнению ) со значением упреждающего допуска Ху .

' э ~ у1 '¿эксп )'пр> - вероятность отсутствия событий пропуска; А^вн, - число внезапных

1Ъ~(1-(>экспК

вн

вн >

В простейшем случае значение упреждающего допуска Ху для нижней допусковой границы определено выражением

ху =ха + М[х]тк

Изменение определяющего параметра х(!) в общем случае нелинейно. Поэтому ссли не принять дополнительных мер, то прогноз по одному измерению может не подтвердиться. Исходя из этого, необходимо учитывать возможные случайные погрешности прогноза времени отказа.

Для определения оценки М[х) и показателей разброса деградационного процесса по множеству реализаций деградационного процесса строим их линейные тренды (рис. 19). Параллельным сдвигом относительно координат все реализации перемещают так, чтобы начало старения всех реализаций начиналось в точке с обобщенными координатами х0 и /д (рис. 20). Далее /д берется за точку отсчета прогноза.

Рис. 18. Осредненные значения реализаций деградационного процесса

/0=О Этап старения /

Рис. 19. Построение обобщенного деградационного процесса

Этап старения разбивается на ряд сечений времени прогноза /пр1, /пр2, ... ■ В

каждом из сечений по множеству реализаций вычисляются среднее значение определяющего параметра и среднеквадратическое отклонение определяющего параметра от его среднего

значения:

n

1 р 1 р "пру - X Ху/ > = ^ дГТУ ~

к

ру=

Оценку Л/[л:] находим по множеству хпру методом наименьших квадратов (МНК) второго порядка.

Функцию ошибки прогноза 5пр(/пр) опишем полиномом 2-й степени от непрерывного аргумента /пр:

5пр('пр) = а1'пр+а2'пр -

Коэффициенты Я) и <32 находим по множеству хпру МНК третьего порядка. Плотность распределения ошибки прогноза можно описать как

[*--гПр('Пр)]2

/0.'пр) = -

25™ С™)

— 2 где ¿пр 3 0 - время прогноза значения определяющего параметра х; апр (/пр) = Д[/пр + «2'пр ~

СКО значений определяющего параметра х((пр) в точке прогноза Гпр=;-/у; < - текущая

наработка; - точка начала отсчета прогноза; 7пр(/пр) = дгу+Л/[л]<пр - математическое

ожидание прогнозируемого значения определяющего параметра; ху - измеренное значение

определяющего параметра в точке ¡у.

Упреждающее допустимое значение определяющего параметра Ху определено выражением

ху = хд + М(х)хк + Каахгк + Каа2г2к, (33)

где Ка = |а^ф(1 — а)| - поправочный коэффициент для доверительной вероятности прогноза а.

Для определения искомых показателей т^ и ху необходимо пошагово изменять величину упреждающего допуска так, чтобы найти Ху при котором деградационный процесс определяющего параметра с учетом погрешности прогнозирования уложится в два периода Т^ (рис. 21).

■*0 _

бо час.

Рис. 20. Назначение упреждающего значения определяющего параметра и оценка Т^ методом

последовательных приближений

Полученные таким образом величины Ху и Т^ будут оптимальным значением

упреждающего допуска и периодичности контроля.

В пятой главе представлен общий методологический подход к разработке методик управления состоянием СТЭ и практические результаты разработки методик по управлению состоянием СТЭ в авиации и железнодорожном транспорте.

Одной из главных научно-практических задач теории управления состоянием СТЭ является разработка общего методологического подхода к разработке методик управления состоянием СТЭ, предполагающего решение следующих задач:

1. Исследуется область ограничений транспортной или промышленной СТЭ и идентифицируется се класс. Исследуется штатная структура СТЭ, организация технического обслуживания и ремонта, и другие особенности СТЭ, позволяющие уточнить ее подкласс. Ставится типовая задача по управлению состоянием СТЭ.

2. Исследуется система сбора статистических данных, осуществляется сбор статистики по отказам, моделируется СТЭ класса А (необходимое условие обеспечения адекватности модели СТЭ по входу т).

3. Используя соответствующее программное обеспечение, в зависимости от поставленной задачи решаются типовые задачи:

а). Управление состоянием СТЭ по отображению Р(т,и) = у.

б). Управление состоянием СТЭ по отображению D(x,y) = т.

в). Разработка метода или методики оценки определяющего параметра.

г). Сбор и исследование статистики по изменению определяющего параметра в процессе эксплуатации. Разработка методики прогноза определяющего параметра.

д). Назначение величины упреждающего допуска и периодичности контроля определяющего параметра.

Опорный алгоритм общего методологического подхода к разработке методик управления состоянием СТЭ показан на рис. 21. Данный опорный алгоритм является общетехническим и не зависит от функционального назначения изделий, входящих в состав СТЭ.

Рис. 21. Структура взаимодействия задач общего методологического подхода к разработке методик управления состоянием СТЭ

Применение методов управления состоянием СТЭ в авиации рассмотрено на примере эксплуатации парка блоков дискретных команд БДК-89.

Парк данных блоков образует СТЭ невосстанавливаемых изделий, эксплуатируемых по назначенному ресурсу Тр = 1000 ч. Была собрана статистика по первым отказам БДК-89, объемом 478 отказов.

По экономическому критерию эффективности СТЭ Уфин (16), (20) и алгоритму, показанному на рис. 18, рекомендован назначенный ресурс блока БДК-89 Тр =300 ч.

По критерию безопасности СТЭ Убзп (17) и (21), и алгоритму, показанному на рис. 18, рекомендован назначенный ресурс блока БДК-89 равный 71 =200 ч.

Для БДК-89 найдены исходные данные для принятия решения по отображению D{x,y) = m. При назначенном ресурсе Тр - 200 ч, нормируемые показатели надежности

составили 7[э =99 ч и 0^=46,1 ч.

Для оценки эффективности принятых решений были выполнены эксперименты по моделированию процесса технической эксплуатации парка блоков БДК-89 в рамках СТЭ класса F с различным назначенным ресурсом. Результаты моделирования приведены в табл. 2.

Таблица 2. Управление состоянием СТЭ класса F на основе отображений Р(т,и) = у

Назначенный ресурс Гр = 200 ч Гр=300 ч Гр =1000 ч

Осредненная интенсивность отказов А. 1,25 1/тыс. ч 1,6 1/тыс. ч 2,9 1/тыс. ч

Данный пример является подтверждением высокой эффективности предлагаемой методики управления состоянием СТЭ, позволяющей уменьшить интенсивность отказов блока БДК-89 в 1,8 раз по экономическому критерию эффективности и 2,3 раз по критерию безопасности, и, тем самым, повысить безопасность полетов.

Моделирование позволило выработать рекомендации по сбору статистики для управления состоянием СТЭ класса F по отображению D(x,y) = m. В частности исследования модели СТЭ авиационной части показали, что при условии заданных ограничений на систему для сбора объективной и представительной выборки для вычисления оценки 7]э необходима статистика, собранная в течение одного года в двух авиационных частях, эксплуатирующих авиационную технику данного типа на протяжении не менее двух лет.

Была выполнена разработка методики управления состоянием СТЭ класса G для грузовых вагонов. Исходные данные получены в ВЧД-8 ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» в объеме 2398 отказов грузовых вагонов с последним деповским ремонтом. Согласно нормативу периодичность деповского ремонта после деповского ремонта составляют 110 тыс. км, при обязательной эксплуатации грузового вагона после деповского ремонта (ДР) не менее 3 лет. При этом фактический пробег вагонов между ДР составляет примерно 160 тыс. км.

Сложность управления СТЭ класса G состоит в том, что статистика по отказам, собранная в процессе технической эксплуатации, ограничена справа величиной 7^=160 тыс. км. При этом

собрать статистику на интервале пробега V/ е [Тр,со] не представляется возможным, что, в свою

очередь, не позволяет построить плотность распределения наработки до отказа. Для решения задачи в такой постановке необходимо методом последовательных приближений найти такие коэффициенты эксплуатационной плотности распределения f3{t) модели класса А, при которых для плотностей f(t,Tp) и f3(t,Tp) будет выполняться соотношение

Т

P\mt,Tp)-f3{t,Tp)]dt<e, о

где s - некое наперед заданное положительное число.

Было установлено, что плотность распределения пробега до отказа грузовых вагонов хорошо согласуется со смесевым распределением, состоящим из суммы экспоненциального и нормального законов распределения, были найдены параметры этого распределения.

По экономическому критерию эффективности (16) оптимальный пробег вагонов между ремонтами составил 120 тыс. км.

Моделирование показало, что снижение пробега вагонов между ДР со 160 тыс. км до 120 тыс. км, снизит общие затраты на ремонт на 8%. При этом примерно на 40% снизится число отцепочных ремонтов при одновременном увеличении числа ДР примерно на 70%. Такое изменение соотношения между отцепочными и деповскими ремонтами позволит повысить

безопасность движения и в значительной степени упорядочить работу транспортной компании в целом. Таким образом, из результатов моделирования следует, что существующее по комбинированному критерию эксплуатации требование об обязательной службе вагонов между деповскими ремонтами не менее 3-х лет является неоптимальным с точки зрения экономики и безопасности движения.

Известно, что каждый регион России характеризуется своим рельефом местности. Так, например для ВСЖД характерно большое количество участков искривления путей, спусков и подъемов. Регион центральной России наоборот характеризуется плавными искривлениями пути и малыми перепадами высот. Поэтому пробег колесных пар до отказа в регионах с различающимся рельефом будет разным. Исходя из этого, можно рекомендовать использование предложенной методики и программного обеспечения для назначения оптимального пробега вагонов между ремонтами в депо не по России в целом, а по каждому региону отдельно.

Примером СТЭ класса I является эксплуатация автодорожных и железнодорожных мостов до предотказового состояния. При переходе на эксплуатацию объектов до предотказового состояния наиболее важным практическим вопросом является выбор определяющего параметра и метода его измерения.

Из теории колебаний известно, что, зная во времени закон движения масс деформируемой системы, можно дать оценку жесткости и прочности системы. В самом общем виде частота свободных колебаний деформируемой системы около положения, в котором действие сил на нее уравнивается, можно записать в виде выражения

а>! = л/с/от, (34)

где т - масса деформируемой системы; с - коэффициент, характеризующий ее жесткость.

Выражение (34) можно положить в основу метода и методик по оценке жесткости различных деформируемых систем.

В настоящее время для измерения частоты собственных колебаний пролета моста по первой форме (О} в качестве эталонного сигнала используют движение по мостовому сооружению груза с заданной массой и скоростью. Эталонное движение груза вызывает колебания мостового сооружения, измеряемые датчиком вибрации. Точность измерения СО] при этом невелика и составляет примерно ±0,3-0,4 Гц.

При использовании СО] для оценки и прогноза жесткости и прочности моста точность измерения этого определяющего параметра необходимо поднять примерно в 100 раз.

Исследования, выполненные в рамках представленной работы, показали, что транспортный поток по мосту создает напряжение основного материала пролета, измеряемое тензодатчиками, динамика которого хорошо согласуется с моделью белого шума. Использование транспортного потока в качестве эталонного сигнала позволило построить спектр колебаний мостового пролета и поднять точность измерения СО] с 0,3 до 0,003 Гц, что подтверждает эффективность данного метода оценки определяющего параметра. При необходимости точность измерения можно увеличить еще больше. Данный способ оценки жесткости и прочности мостовых сооружений запатентован, заявка на патент №2011150598 от 21.12.2011.

Заключение и основные результаты диссертации

Таким образом, в работе было предложено решение крупной научно-практической проблемы разработки методологических основ управления состоянием СТЭ. Её актуальность обусловлена тем, что известные математические модели СТЭ не могут концептуально объяснить и количественно описать статистические данные по надежности технических объектов. Из-за этого до настоящего времени отсутствовали количественные методы управления состоянием СТЭ, а известные качественные методы обладают существенными методическими погрешностями. Особая важность задач по управлению состоянием СТЭ обоснована тем, что их решение непосредственно определяет развитие экономики и обеспечение безопасности эксплуатации технических объектов. В целом по совокупности разработанных теоретических положений, вынесенных на защиту,

решение данной научной проблемы можно квалифицировать как научное достижение, имеющее важное хозяйственное значение.

На основании выполненных исследований были получены следующие результаты, которые в совокупности могут быть представлены как методологические и прикладные основы обобщенной теории управления состоянием СТЭ:

1. На основе системного анализа проблемы было получено принципиально новое научное положение в теории технической эксплуатации о зависимости законов функционирования СТЭ от ограничений на систему, изменение которых приводит к образованию СТЭ с новыми свойствами. В результате этих исследований впервые была построена схема точек бифуркации и на ее основе предложена классификация СТЭ, которая концептуально объяснила теоретические противоречия, имеющиеся в существующих моделях теории надежности в технике и теории структурной надежности. Предложенная классификация позволила также объединить эти хотя и близкие, но ранее разрозненные научные дисциплины в рамках обобщенной теории технической эксплуатации. Кроме того, полученная классификация указала пути решения проблемной ситуации, состоящей в существенных методических погрешностях известных моделей СТЭ. Было установлено, что из десяти синтезированных классов СТЭ исследованы законы функционирования только двух классов. Законы функционирования остальных классов СТЭ неизвестны и подходов к выводу необходимых аналитических зависимостей найдено не было. Поэтому был сделан главный теоретический вывод, заключающийся в том, что в настоящее время статистическое моделирование является основным методом разработки методологических основ управления состоянием СТЭ.

2. Разработана оригинальная универсальная переключаемая модель СТЭ, в ходе синтеза которой были получены следующие новые, важные для практики технической эксплуатации теоретические результаты: синтезирована модель невосстанавливаемых технических объектов; предложен ресурсный метод моделирования потока отказов; предложено новое аналитическое описание типовой плотности распределения наработки до отказа; синтезирована модель восстанавливаемых технических объектов с конечным ресурсом; синтезированы модели систем технической эксплуатации всех классов; предложены принципы построения и критерии адекватности универсальной переключаемой модели СТЭ.

Разработка универсальной переключаемой модели СТЭ, адекватной по входу и закону функционирования реальным СТЭ, создала возможность осуществить исследования законов функционирования СТЭ и разработать новые методы управления состоянием СТЭ, не имеющие методических погрешностей.

3. С помощью статистических моделей были выполнены фундаментальные исследования законов функционирования всех классов СТЭ, в ходе этих исследований впервые была разработана аналитическая модель СТЭ объектов стареющего типа. В процессе применения этой модели был исследован механизм возникновения методических погрешностей существующих моделей СТЭ, что является важным научно-практическим и теоретическим вкладом в обобщенную теорию технической эксплуатации.

4. На основе результатов исследований законов функционирования были разработаны новые критерии и методы повышения эффективности СТЭ. Они создают основу для перехода от качественных методов управления состоянием СТЭ к количественным методам.

5. На основе разработанных методов были предложены реализуемые в практике авиационного и железнодорожного транспорта новые методики управления состоянием СТЭ.

Полученные в ходе диссертационных исследований теоретические результаты обладают достаточной степенью общности, а разработанные практические методики - универсальностью. Их внедрение подтвердило достоверность предложенных моделей и методов, и доказало возможность реализации на практике разработанных положений обобщенной теории управления состоянием СТЭ.

Список публикаций по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кашковский В.В. Исследование потока отказов элемента стареющего типа//Современные технологии, системный анализ, моделирование. №2 (26). Иркутск: ИрГУПС, 2010. С. 175 - 180.

2. Кашковский B.B. Тихий И.И. Оценка параметров плотности распределения наработки до отказа // Научный вестник Московского ГТУ ГА. - 2009, № 148 . - С. 84-91.

3. Кашковский В.В., Тихий И.И. Исследование потока отказов восстанавливаемых объектов // Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение 2008. № 12 С. 74-77

4. Кашковский В.В., Тихий И.И. Назначение ресурса невосстанавливаемым техническим объектам//Вестник машиностроения - М.: Машиностроение, 2010. № 2 С. 73-78.

5. Кашковский В.В., Тихий И.И. Применение Z-преобразований для разработки авиационных тренажеров // Авиакосмическое приборостроение. - 2009, № 7 -. С.50-53.

6. Кашковский В.В., Устинов В.В. Система диагностирования и контроля прочностных свойств крыла воздушного судна // Научный вестник Моск. гос. технич. ун-та ГА. - М. - 2011. -№ 172.-С. 171-176.

7. Кашковский В.В. Устинов В.В. Методика объективной оценки профессиональной подготовки летного состава маневренных самолетов // Научный вестник Моск. гос. технич. ун-та ГА. - М. - 2013. - № 187. - С. 161-164.

8. Кашковский В.В. Тихий И.И., Полуэктов С.П. Методика прогнозирования прочностных свойств крыла самолета// Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - Казань: 2009, №4 С. 15-17.

9. Кашковский В.В., Тихий И.И., Полуэктов С.П. Оценка изменения жесткости крыла в процессе эксплуатации // Научный вестник Новосибирского ГТУ. -2009, №2(35).- С. 129-139.

10. Кашковский В.В., Тихий И.И., Полуэктов С.П. Оценка качества пилотирования в режиме полета по глиссаде // Научный вестник Моск. ГТУ ГА. - 2008, № 138 (1).- С. 191-197.

11. Кашковский В.В., Тихий И.И., Полуэктов С.П. Оценка качества управления сложными техническими объектами. Вестник Иркут. гос. тех. ун-та. - 2008. - Вып. 2 (34) - С. 37-41.

12. Кашковский В.В., Тихий И.И., Полуэктов С.П. Моделирование действий оператора для решения задач оценки качества управления в эргатических системах. //Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2009, Вып. 4(24). - С. 210-214.

13. Кашковский В.В., Тихий И.И., Разумов В.В. Оценка характеристик надежности невосстанавливаемых изделий при эксплуатации по ресурсу // Известия Иркутской ГЭА. -2007, Вып. 1 (51).-С. 28-30.

14. Кашковский В.В., Тихий И.И., Шишкин Ю.Н. Идентификация параметров динамической модели летчика по данным бортового устройства регистрации // Вестник Томского ГУ. - 2005, № 14(11).- С. 297-301.

15. Тихий И.И. Мухопад Ю.Ф., Кашковский В.В. Системный подход к проблеме повышения эффективности процессов определения состояния сложных объектов // Современные технологии, системный анализ, моделирование. - 2012. - Вып. 1(33) - С. 107 - 115.

16. Тихий И.И., Кашковский В.В. О диагностировании в вычислительных системах отказовых ситуаций различного типа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2009, № 11. -С. 35-42.

17. Тихий И.И., Кашковский В.В. Обоснование выбора параметров диагностической модели вычислительной системы // Контроль. Диагностика. - 2010, №10(148). - С 54-61.

18. Тихий И.И., Кашковский В.В. Организация диагностирования отказовых ситуаций различного типа в распределённых вычислительных системах // Контроль. Диагностика. - 2009, №10(136).-С 53-57.

19. Тихий И.И., Кашковский В.В. Самодиагностирование комплекса оборудования с использованием структур взаимоконтроля по минимально необходимому числу проверок // Контроль. Диагностика. - 2009, №2(128). - С. 62-68.

В авторских свидетельствах и патентах

20. Устройство выбора варианта парирования особых ситуаций. / Кашковский В.В., Ковальчук Ю.А., Кричевский C.B., Смольников В.Л., Устинов В.В. A.c. № 271645 (СССР). - Зарегстр. 1988.

21. Кашковский В.В., Сорокин П.Н., Устинов В.В. Устройство для вычисления логических функций. A.c. № 1367011 (СССР). - Зарегестр. 1988г.

22. Кашковский В.В., Ковальчук Ю.А., Устинов В.В. Устройство идентификации траектории полета. A.c. № 303126 (СССР). - Зарегстр. 1989.

23. Кашковский В.В., Кибардин Ю.А., Устинов В.В. Устройство для оценки качества пилотирования самолета летчиком. A.c. № 1702807 (СССР). - Зарегстр. 1991.

24. Устройство для оценки качества пилотирования самолета летчиком. / Кашковский В.В., Кибардин Ю.А., Устинов В.В. Шишкин Ю.Н. Патент № 98106546/09 (006212) Российская Федерация от 30 03 98г.; заявитель и патентообладатель Иркут. воен. авиац. инженерн. ин-т.

25. Система контроля прочностных свойств крыла JIA. / Кашковский В.В., Устинов В.В. Полуэктов С.П. Желтухин С.Н. Патент №2007134759/28 (037977) от 18.09.2007 г. г. Москва 30.09.2008.

26. Полуэктов С.П., Кашковский В.В., Тихий И.И., Лапин И.П. Способ оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе посадки по данным штатного бортового устройства регистрации Патент №2010140360/08(057855) от 01.10.2010 г.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) МО РФ.

27. Кашковский В.В. Устинов В.В., Фотиков P.A. Комплексная система информации и контроля состояния авиационной техники. Патент № 2474867 приоритет от 24.06.20011, дата выдачи 10.02.2013.

28. Кашковский В.В. Чигвинцев A.A., Устинов В.В. Устройство контроля прочности крыла воздушного судна. Патент № 2011129001/28(942855) от 13.07.2011.

В монографиях, депонированных рукописях и учебных пособиях

29. Кашковский В.В. Исследование законов функционирования систем технической эксплуатации. Системный подход к теории технической эксплуатации. - Saarbrucken: LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2012. - 303 p.

30. Кашковский В.В. Опытная конструкторская работа. Разработка и внедрение автоматизированной информационной системы объективного контроля авиационного полка. В 2-х книгах. Кн. 2. Отчет о ОКР «Аргос» / ИВАИИ; инв. БВТИ 3408. - Иркутск: 1998. 163 с

31. Кашковский В.В., Тихий, И.И. Полуэктов С.П. Оценка качества пилотирования самолёта / Деп. в ЦСИФ МО РФ 11.04.08 М.: ЦВНИ МО РФ 2008. Серия А. Вып.№2(99)-59 с.

32. Тихий И.И., Кашковский В.В. Испытания и эксплуатация авиационной техники: (Допущено МО РФ в качестве учебного пособия для курсантов (слушателей) высших военных учебных заведений ВВС). Иркутск: ИВВАИУ, 2009. - 308 с.

В других журналах и изданиях

33. Кашковский В.В. Оценка применимости законов распределения случайных величин в задачах эксплуатации технических средств// Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов / под ред. Ю.Ф. Мухопада. - Вып. 20 -Иркутск: ИрГУПС, 2011. С. 80-85.

34. Кашковский В.В., Кашковский С.В., Кочижева К.Ю. Применение метода Монте-Карло для оценки мощности критериев согласия в задачах диагностики технических систем// Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов / под ред. Ю.Ф. Мухопада. -Вып. 20 - Иркутск: ИрГУПС, 2011. С. 75-79.

35. Кашковский В.В., Тихий И.И. Исследование показателей качества управления в эргатических системах И Информационные системы контроля и управления в промышленности и транспорте: Сб.науч. тр. - Иркутск: ИрГУПС. 2009. - Вып. №16.- С. 123-132.

36. Кашковский В.В., Тихий И.И. Назначение ресурса невосстанавливаемых технических объектов // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. Сб. науч. трудов / Под ред. Ю. Ф. Мухопада -Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. -Вып. 16. - С. 133143.

В трудах научно-технических конференций

37. Кашковский В.В., Баранов Т.М. Особенности обработки информации деформационного мониторинга мостов // Транспортная инфраструктура сибирского региона. Материалы третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием 15-19 мая 2012 г. В 2 томах. Том 1. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2012. С. 503-510.

38. Кашковский В.В. Применение новых технологий обучения при проведении лабораторных работ по курсу «Математические модели в расчетах на ЭВМ» // Проблемы и перспективы формирования образовательного пространства в условиях становления информационного

общества: материалы третьей научно—практической конференции. — Иркутск: Изд—во ИрГУПС, 2010. С. 79—88

39. Кашковский В.В. Статистическая модель процесса эксплуатации авиационной техники/Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России. Сборник трудов 1-й Научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов. 26 ноября 2009 г. - Иркутск.: ИФ МГТУ ГА, 2009. С 118-124.

40. Кашковский В.В., Разумов В.В., Кравченко В.В. Применение метода статистического моделирования для оценки эффективности процесса технической эксплуатации AT по состоянию // Материалы XIV Всероссийской научно-технической конференции. Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов ЛА. Часть II / ИВВАИУ (ВИ) - Иркутск, 2006. - С. 64-68.

41. Кашковский В.В., Тихий И.И. Методика оценки достоверности представления полетных данных цифровыми устройствами регистрации: сб. материалов VII НТК / Иркутское ВВАИУ. -1991.-С. 42-44.

42. Кашковский В.В., Тихий И.И. Некоторые аспекты применения критерия Пирсона в практике статистической обработки информации: сб. материалов XV Всероссийской НТК / Иркутское ВВАИУ. - 2008. -ЧI. - С. 184-190.

43. Кашковский В.В., Тихий И.И. Учебно-исследовательские программные комплексы дисциплин кафедры эксплуатации авиационного оборудования // Министерство обороны Российской федерации Военно-воздушные силы Актуальные вопросы вузов ВВС Межвузовский сборник Выпуск 23 Москва 2007. С. 141-147

44. Кашковский В.В., Тихий И.И. Учебно-исследовательский программный комплекс «Статистические методы обработки результатов испытаний АО» // Материалы ХХП межвузовской научно-методической конференции. Иркутск, ИВВАИУ (ВИ) 2005 г. С. 65-70.

45. Кашковский В.В., Тихий И.И., Разумов В.В. Управление техническим состоянием авиационной техники с контролем уровня надежности // Науч. Тр. Иркут. ВВАИУ (ВИ): сб. ст. сотр. уч-ща. Вып. VI. / ИВВАИУ (ВИ) - Иркутск, 2006. - С. 91-95.

46. Кашковский В.В., Тихий И.И., Разумов В.В., Сегедин P.A. Применение метода статистического моделирования для решения задач оптимизации в процессе эксплуатации авиационной техники. Тр. XI междунар. Конф.: информационные, математические технологии в научных исследованиях. Ч. 1 / ИСЭМ СО РАН. - Иркутск, 2006. - С. 102-109.

47. Кашковский В.В., Устинов В.В. Диагностическая модель контроля прочностных свойств крыла воздушного судна/Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России. Сборник трудов 1-й Научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов. 26 ноября 2009 г. - Иркутск: ИФ МГТУ ГА, 2009. С 60 - 65.

48. Кашковский В.В., Устинов В.В. Использование авиационных тренажеров в научных исследованиях/Актуальные проблемы и перспективы развития ГА России. Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов. - Иркутск: ИФ МГТУ ГА, 2012. С 151-156.

49. Кашковский В.В., Устинов В.В. Оценка изменения жесткости крыла в процессе технической эксплуатации/Актуальные проблемы и перспективы развития ГА России. Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов. - Иркутск: ИФ МГТУ ГА, 2012. С 51-56.

В электронных изданиях

50. Кашковский В.В. Программный комплекс «Обработка статистических данных о пробеге вагонов, модели СТЭ класса А». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа/В.В. Кашковский - Иркутск: ИрГУПС, 2011. 1 эл. опт. диск (CD ROM) 0,589 Мбайт

51. Кашковский В.В. Программный комплекс «Оптимизация назначенного ресурса СТЭ классов Е, F и G, а также величины упреждающего допуска и периодичности контроля СТЭ классов Н и J для железнодорожного транспорта». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа/ В.В. Кашковский - Иркутск: ИрГУПС, 2011. 1 эл. опт. диск (CD ROM) 2,124 Мбайт.

52. Кашковский В.В. Программный комплекс «Исследование марковской модели восстанавливаемого объекта». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИрГУПС, 2010 г. 1 эл. опт. диск (СБ КОМ) 1,88 Мбайт

53. Кашковский В.В. Программный комплекс «Моделирование СТЭ». [Электронный ресурс] -электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 1,62 Мбайт.

54. Кашковский В.В. Программный комплекс «Полумарковская модель процесса эксплуатации авиационной техники». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. -Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 2,68 Мбайт.

55. Кашковский В.В. Программный комплекс «Статистическое моделирование процесса эксплуатации невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов». [Электронный ресурс] -электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИрГУПС, 2010 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 4,1 Мбайт.

56. Кашковский В.В. Программный комплекс «Расчет показателей безотказности невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 3,96 Мбайт.

57. Кашковский В.В. Программный комплекс «Планирование и проведение испытаний сложных технических объектов». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 8,12 Мбайт.

58. Кашковский В.В. Программный комплекс «Анализ и оценка изделий АТ как объектов эксплуатации». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 10,7 Мбайт.

59. Кашковский В.В. Программный комплекс «Исследование законов функционирования СТЭ». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 9,88 Мбайт.

60. Кашковский В.В. Программный комплекс «Оптимизация величины ресурса при различных объемах выборки статистических данных об отказах эксплуатируемых изделий и оценка представительности выборки, необходимой для принятия гипотезы о плотности распределения времени наработки до отказа при решении задач оптимизации ресурса». [Электронный ресурс] -электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 5,77 Мбайт.

61. Кашковский В.В. Программный комплекс «Расчет показателей безотказности восстанавливаемых объектов». [Электронный ресурс] -электр. текст., граф. и прикладные программы. -Иркутск: Иркутский филиал МГТУГА 2008г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 11,3 Мбайт.

62. Кашковский В.В. Программный комплекс «Статистические методы обработки результатов испытаний авиационного оборудования» [Электронный ресурс] -электр. текст., граф. и прикладная программа. - Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 39,7 Мбайт.

63. Кашковский В.В. Программный комплекс «Идентификация технических состояний объектов контроля». [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. -Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 4,53 Мбайт.

64. Кашковский В.В. Программный комплекс «Диагностика дискретных комбинационных устройств» [Электронный ресурс] -электр. текст., граф. и прикладные программы. -Иркутск: Иркутский филиал МГТУГА 2008г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 9,4 Мбайт.

65. Кашковский В.В. Программный комплекс «Обработка информации деформационного мониторинга мостов» [Электронный ресурс] - электр. текст., граф. и прикладная программа. -Иркутск: ИрГУПС, 2012 г. 1 эл. опт. диск (СО ЯОМ) 1,09 Мбайт.

Подписано в печать 25.03.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2,67 Тираж 150 экз. Заказ № 313

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

На правах рукописи

Кашковский Виктор Владимирович

Методологические основы управления состоянием систем технической эксплуатации промышленных и транспортных объектов

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Иркутск —2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................................9

Глава 1 Анализ и пути решения проблемы разработки методологических основ управления состоянием систем технической эксплуатации.........................23

1.1 Принятые термины и определения..........................................................23

1.2 Определение проблемной ситуации. Разработка методики системного анализа.............................................................................................28

1.3 Определение системы технической эксплуатации........................35

1.4 Анализ структуры системы технической эксплуатации..................44

1.5 Анализ ограничений проблемы. Синтез классов моделей систем технической эксплуатации.........................................................................................56

1.6 Анализ существующих моделей систем технической эксплуатации классов А и В.................................................................................................................67

1.7 Анализ существующих моделей систем технической эксплуатации классов С и Б.................................................................................................................76

1.8 Анализ существующих моделей систем технической эксплуатации классов Е, Р и в.............................................................................................................79

1.9 Анализ существующих моделей систем технической эксплуатации классов Н, I и 1...............................................................................................................87

1.9.1 Оценка адекватности моделей систем технической эксплуатации классов Н, I и I.................................................................................................88

1.9.2 Обоснование общего подхода к методологии прогнозирования состояния изделий...................................................................................................95

1.10 Выбор альтернативы решения проблемы и определение критериев эффективности систем технической эксплуатации......................................104

Выводы по Главе 1............................................................................................114

Глава 2 Синтез моделей систем технической эксплуатации............................116

2.1. Состав и назначение программного обеспечения для моделирования систем технической эксплуатации.........................................................116

2.2. Синтез имитационной модели невосстанавливаемого изделия.........117

2.3 Синтез имитационной модели восстанавливаемого изделия............123

2.4 Синтез статистической модели системы технической эксплуатации.....................................................................................128

2.5 Определение структуры выходного сигнала системы технической эксплуатации............................................................................................................132

2.6. Критерии адекватности моделей систем технической эксплуатации.........................................................................................................136

Выводы по Главе 2............................................................................................142

Глава 3 Исследование законов функционирования систем технической эксплуатации...............................................................................................................144

3.1 Законы функционирования систем технической эксплуатации класса А........................................................................................................................144

3.2 Синтез аналитической модели систем технической эксплуатации класса А, образованной элементами стареющего типа.................................149

3.3 Законы функционирования систем технической эксплуатации класса О........................................................................................................................152

3.4 Законы функционирования систем технической эксплуатации класса Е........................................................................................................................160

3.5 Законы функционирования систем технической эксплуатации классов ¥ив..............................................................................................................................164

Выводы по Главе 3.....................................................................171

Глава 4. Разработка методов управления состоянием систем технической эксплуатации....................................................................................174

4.1 Метод управления состоянием систем технической эксплуатации классов Е, Б и О на основе отображения Р(т,и) = у...................................174

4.2 Метод управления состоянием систем технической эксплуатации класса Е на основе отображения И{х,у) = т.............................................181

4.3 Методы управления состоянием систем технической эксплуатации классов Н и 1......................................................................................186

4.3.1 Метод оценки параметров плотности распределения определяющего параметра....................................................................192

4.3.2 Метод оценки величины упреждающего допуска и периодичности контроля......................................................................197

Выводы по Главе 4.....................................................................201

Глава 5 Разработка методик управления состоянием систем технической эксплуатации на транспорте.................................................................203

5.1 Общий методологический подход к разработке методик управления состоянием систем технической эксплуатации.........................................203

5.2 Методики управления состоянием систем технической эксплуатации класса Е и Б в авиации.........................................................................204

5.2.1 Методика управления состоянием систем технической эксплуатации класса Е по экономическому критерию эффективности............205

5.2.2 Методика управления состоянием систем технической эксплуатации класса Е по критерию безопасности......................................206

5.2.3 Методика управления состоянием систем технической эксплуатации класса Е на основе отображения £>(х, >>) = т...........................206

5.2.4 Общие рекомендации по управлению состоянием систем технической эксплуатации в авиации......................................................207

5.3 Методика управления состоянием систем технической эксплуатации класса О на железнодорожном транспорте...............................................208

5.4 Методика управления состоянием систем технической эксплуатации класса I. Метод оценки и прогноза жесткости и прочности автодорожных и железнодорожных мостов............................................................................212

Выводы по Главе 5.....................................................................220

Заключение...................................................................................................................222

Список литературы......................................................................................................225

Приложение 1. Результаты испытания на надежность угольного регулятора напряжения...................................................................................................................253

Приложение 2. Алгоритм работы универсальной переключаемой модели системы

технической эксплуатации...........................................................................259

Приложение 3. Результаты исследования законов функционирования систем

технической эксплуатации классов А и В...............................................................263

Приложение 4. Результаты исследования законов функционирования систем

технической эксплуатации класса D........................................................268

Приложение 5. Результаты исследования законов функционирования систем

технической эксплуатации класса Е..........................................................................280

Приложение 6. Результаты исследования законов функционирования систем

технической эксплуатации классов F и G.................................................................289

Приложение 7. К разработке методов управления состоянием систем технической

эксплуатации................................................................................................................295

Приложение 8. Результаты применения методик управления состоянием систем технической эксплуатации на транспорте................................................................305

Перечень условных обозначений и сокращений

АСУ ИССО Автоматизированная информационно-аналитическая

система управления техническим состоянием искусственных сооружений сети железных дорог России ВВС Военно-воздушные силы;

ВСЖД Восточносибирская железная дорога

ВЧД Вагонная часть депо

ИАС инженерно-авиационная служба;

ИВЦЖА Информационный вычислительный цент железнодорожных

администраций СТЭ Система технической эксплуатации

ФАП ИАО Федеральные авиационные правила инженерно-

авиационного обеспечения АТ авиационная техника;

ВС воздушное судно;

КПН отказы по причине конструктивно-производственных

недостатков; КУН карточка учета неисправностей;

СЛ отказы, имеющие случайный характер происхождения;

СТ отказы по причине старения изделий;

Уфт экономический критерий эффективности СТЭ;

Убт критерий безопасности СТЭ;

Рв оценка критерия адекватности системы прогнозирования;

А^(|х,ст) нормальный закон распределения с параметрами циа;

В(а, Ь, с) распределение Вейбулла с параметрами а,Ь,с;

суммарная наработка изделия и суммарная наработка го

t и

изделия (для упрощения просто наработка); N число изделий, поставленных на испытания;

Г

т\ и Ц

стг и а!

Ы А^э/)

или ГЕ(/Э)

д1э

Г(А?э/) или

пь) т

Тэ{ А?э/) или ГЭ0Э)

/э(А^),

объем парка эксплуатируемых однотипных изделий;

объем выборки по отказам, собранной в процессе

эксплуатации;

осредненная интенсивность отказов; наработка у - го изделия до отказа;

время эксплуатации парка изделий или время эксплуатации; суммарное приращение наработки изделий на г интервале времени эксплуатации ;

приращение наработки у изделия;

средняя наработка изделия до первого отказа (для краткости средняя наработка до отказа) и ее статистическая оценка; среднеквадратическое отклонение наработки изделия до первого отказа (для краткости среднеквадратическое отклонение наработки до отказа) и ее статистическая оценка; назначенный ресурс невосстанавливаемого изделия;

функция времени средней наработки;

осредненная средняя наработка; эксплуатационная средняя наработка до отказа; эксплуатационное СКО распределения наработки до отказа;

функция времени средней наработки на отказ;

осредненная средняя наработка на отказ;

функция времени эксплуатационной средней наработки на отказ;

эксплуатационная плотность распределения наработки до отказа;

/э*(0 или

/э(0

^нр назначенный ресурс восстанавливаемого изделия;

Т РР

межрегламентный (межремонтный) ресурс

восстанавливаемого изделия;

статистическая плотность распределения наработки до f{t,Тр) отказа при проведении испытания на надежность до

назначенного ресурса Гр;

эксплуатационная статистическая плотность распределения /э(1,Тр) наработки до отказа, полученная при эксплуатации изделий

до назначенного ресурса Тр;

5% гамма-процентная наработка до первого отказа восстанавливаемого изделия;

статистическая плотность распределения наработки восстанавливаемого изделия от п до п+1 отказа; среднее время наработки до отказа восстанавливаемого изделия на интервале большем Ц;

ч

со * (Лгэ/ ) или со*(7э)

параметр потока отказов парка восстанавливаемых изделии

со * осредненный параметр потока отказов;

тд. периодичность контроля определяющего параметра.

Введение

Актуальность темы. К середине XX столетия серийный выпуск однотипных изделий (технических объектов) в промышленности и на транспорте стал измеряться сотнями тысяч и даже миллионами экземпляров. Применение по назначению столь объемных парков однотипных изделий привело к возникновению такой сферы деятельности как техническая эксплуатация. Техническую эксплуатацию можно определить как совокупность организационных, научных и практических мероприятий направленных на поддержание исправности и готовности к применению однотипных изделий и осуществляемых соответствующими системами технической эксплуатации (СТЭ).

В работе предполагается разделение СТЭ на два вида:

1. СТЭ изделий индивидуального использования. Такая система характерна, например, для владельцев личного автотранспорта, которые самостоятельно эксплуатируют каждый свою единицу автотранспорта и по своему усмотрению организуют ее ремонт и техническое обслуживание. Для этой системы характерно практически полное отсутствие организационных связей между владельцами автотранспортных средств, что в свою очередь не позволяет ей в полной мере обеспечить эффективность использования изделий. Поэтому для обеспечения безопасности эксплуатации приходится вводить в систему искусственные организационные связи, например, в виде обязательного технического осмотра автотранспорта.

2. СТЭ изделий корпоративного использования. Примерами таких систем являются эксплуатация газовых центрифуг на предприятиях по обогащению урана, крупные транспортные компании воздушного, железнодорожного, речного и морского транспорта, военная авиация и т.п. Достоинством СТЭ корпоративного использования является наличие четко обозначенных организационных связей, позволяющих обеспечить необходимую эффективность использования промышленных и транспортных объектов.

СТЭ изделий индивидуального использования относятся к плохо организованным системам, в которых обеспечение эффективности использования промышленных и транспортных объектов представляется достаточно затруднительным. Поэтому в работе рассматриваются только СТЭ второго вида, являющиеся объектом исследования.

В целях обеспечения эффективности использования промышленных и транспортных объектов СТЭ, независимо от вида транспорта и типа промышленных объектов, призваны обеспечить решение трёх основных задач:

- полнота и качества выполнения изделиями своих функций по предназначению.

- безопасность эксплуатации (для транспортных объектов - безопасность движения);

- экономичность эксплуатации.

Обеспечение высокой эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов имеет важнейшее народнохозяйственное значение, поскольку является одним из основополагающих направлений экономического развития страны. Так, например, в условиях массовой эксплуатации даже незначительное уменьшение затрат на содержание единичного изделия может привести к значительной экономии финансовых средств. И наоборот, в условиях острой промышленной конкуренции любое пусть и незначительное увеличение подобных затрат способно привести к утрате внутреннего и международного рынка сбыта промышленной продукции и, как следствие, большим финансовым потерям.

Для того чтобы конкретный технический объект мог эффективно и безопасно использоваться по назначению СТЭ должна постоянно поддерживать его в работоспособном и готовом к применению состоянии. Этот процесс принято называть управление состоянием технического объекта.

Вопросы управления состоянием технических объектов частично рассматриваются в ряде научных дисциплин, таких как теория надежности в

технике, теория структурной надежности, техническая диагностика, испытания на надежность, теория систем массового обслуживания и других.

Повышению эффективности управления состоянием технических объектов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых, таких как А.Е. Акиндеев, А. Авиженис, Е.Ю. Барзилович, Р. Барлоу, И.А. Биргер, В.Г. Воробьёв, В.А. Ведешенков, В.В. Глухов, Б.В. Гнеденко, В.А. Горшков, A.A. Ицкович, В.Д. Константинов, C.B. Крауз, Ю.Ф. Мухопад, Ф. Прошан, К. Райншке, Е.А. Румянцев, Н.П. Сергеев, И.М. Синдеев, H.H. Смирнов, Е.С. Согомонян, В.И Шаманов, T.J. Allan, S. Tolda, H. Fujiwara, К. Kinoshita, M. Guida, С. Kime, S. Mallela, G.M. Masson, J. Russel, A. J. Truelove и др.

Одной из методологических посылок, на которых основаны многие научные труды, является утверждение о том, что, если в рамках СТЭ осуществлять эффективное управление состоянием каждого технического объекта в отдельности, то и СТЭ в целом будет эффективна. Вместе с тем, теория системного анализа предполагает, что одной из основополагающих закономерностей систем является взаимодействие части и целого (эмерджентность). Эмержентность отрицает применимость редукции к сложным динамическим системам, к которым относится и СТЭ, поскольку сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов любой системы в подавляющем большинстве случаев придает системе новое качество, отличающее систему от простой суммы независимых качеств ее элементов. Исходя из этого, в работе вводится понятие «управление состоянием СТЭ», означающее эффективное управление состоянием множества технических объектов, её составляющих.

Очевидно, что для дальнейшего повышения эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов необходимо развитие методов управления состоянием СТЭ. Однако, несмотря на большое количество работ в области управления состоянием технических объектов, методология управления состоянием СТЭ развития так и не получила. Из-за этого до настоящего времени для управления состоянием СТЭ применяют

преимущественно эвристические модели. Основной причиной этого является неизученность законов функционирования СТЭ.

Для эффективного управления состоянием СТЭ необходимо решить комплекс сложных и актуальных научных задач по фундаментальному исследованию законов функционирования СТЭ и разработке методов управления состоянием СТЭ. Этот комплекс научных задач и составляет проблему