автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование неасимптотических моделей надежности сложных технических систем с учетом процессов старения и деградации их элементной базы

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ СТАРЕНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1. Современное состояние работ по проблеме оценки характеристик надежности сложных систем.

1.2. Программы исследований по оценке влияния старения и продления срока службы на надежность, безопасность и экономическую эффективность на примере АС.

1.3. Закономерности деградации конструкционных материалов оборудования сложных технических систем.

1.3.1. Классификация механизмов деградации конструкционных материалов.

1.3.2. Модели деградации конструкционных материалов оборудования СТС на субмикроскопическом и микроскопическом уровнях.

1.3.3. Закономерности коррозионных повреждений оборудования СТС.

1.3.4. Модели эрозионного повреждения оборудования СТС.

1.3.5. Закономерности роста усталостных трещин в конструкционных материалах оборудования СТС.

1.3.6. Закономерности теплового старения конструкционных материалах оборудования СТС.

1.3.7. Закономерности износа оборудования СТС.

1.4. Математические макромодели оценивания состояния оборудования СТС.

1.4.1. Построения математической макромодели оценивания степени подверженности старению оборудования СТС на основе данных о параметре потока отказов.

1.4.2. Математическая модель деградации и учета неполноты восстановления после регенераций комплекта элементов.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время применение методов и моделей теории надежности в различных направлениях науки и техники очень разнообразно. В отраслевых публикациях широко распространена идея об управлении сроком службы технологическими объектами соответствующих отраслей. Учитывая тот факт, что материально-техническая база промышленности и топливно-энергетического комплекса в России была заложена в 70-х и 80-х годах, зачастую требуется обоснование надежности и безопасности дальнейшей эксплуатации в промышленных целях различных отраслевых объектов. Кроме того, что вероятностный анализ надежности и безопасности - задача глубокого изучения объекта исследования, она сопряжена с разработкой комплексных моделей учета разнообразных факторов, влияющих на надежную и безопасную эксплуатацию. К этим факторам относятся: деградация физических характеристик элементной базы со временем из-за воздействия окружающей (зачастую агрессивной) среды и повышенных эксплуатационных нагрузок, влияние технического обслуживания подсистем на надежность системы в целом и т.д. К настоящему времени разработано недостаточное количество физико-химических моделей, описывающих процессы, протекающие в материалах, подверженных воздействию окружающей среды. Эти модели описывают: коррозионные и эрозионные процессы, закономерности роста усталостных трещин, закономерности тепловой диффузии, закономерности износа и т.п. Однако на практике большую актуальность приобретают вероятностно-статистические методики оценок характеристик надежности, по которым принимаются решения о целесообразности эксплуатации, как некоторой подсистемы, так и всей системы в целом. Также эти характеристики позволяют решать задачи экономической целесообразности и строить модели профилактического обслуживания. Таким образом, очевидна необходимость разработки математических моделей и методов, позволяющих на основе эксплуатационных данных учитывать в процессах функционирования явления старения и приработки.

Цель работы.

1. Разработка численных методов учета деградации за счет неполноты восстановления. Нахождение способов оценивания параметров деградации и увеличения времени восстановления на основе анализа физических принципов функционирования объектов.

2. Разработка общей модели учета неоднородности потоков отказа и восстановления. Получение зависимостей для основных характеристик надежности. Формулирование принципов постановки задачи оптимизации для разработанной модели.

3. Разработка программного обеспечения для расчета характеристик надежности на основе данных о структуре исследуемого объекта, параметров восстановления и отказоустойчивости элементной базы.

Научная новизна работы.

• Впервые получено выражение для коэффициента готовности модели учета деградации за счет неполноты восстановления в условиях марковости случайных процессов. Предложены способы оценивания параметров деградации и увеличения времени восстановления.

• Разработана модель учета неоднородности потоков случайных событий, которая не имеет аналогов в литературе. Выведены базовые зависимости основных характеристик теории надежности для неоднородных потоков отказа и восстановления.

• Разработана не имеющая аналогов программная система расчета показателей надежности на основе статистической информации об отказах элементов и информации о режимах технического обслуживания.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные теоретические модели доведены до инженерных методик с соответствующей программной реализацией. Программная реализация представлена в виде программного комплекса, рассчитанного на квалифицированного инженера.

Разработанные методы и программное обеспечение применялись при решении задачи вероятностного анализа безопасности первого уровня Билибинской АЭС и оценки их реального уровня надежности.

На защиту выносятся;

1. Классификация моделей процессов, которые учитывают факторы, влияющие на старение оборудования.

2. Результаты исследования модели учета деградации за счет неполного восстановления комплекта элементов системы после отказа.

3. Модели анализа характеристик надежности в условиях неоднородности потоков отказов и восстановлений.

4. Инженерные методики расчета характеристик надежности элементов и систем энергоблоков АЭС с учетом факторов старения и деградации.

5. Программная система расчета характеристик надежности составных систем по статистическим данным об отказах и информации о режимах обслуживания.

6. Результаты практического исследования надежности подсистем СУЗ Билибинской АЭС, элементов СУЗ Курской АЭС, критического стенда «БАРС-6».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 129 страницах, в том числе основного текста на 119 страницах. Работа содержит 36 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 81 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведем основные результаты, полученные в диссертации:

1. Разработан метод численного расчета характеристик надежности по математической модели надежности, учитывающей линейный тренд случайных процессов отказа и восстановления. Предложены способы численного оценивания коэффициентов деградации и увеличения времени регенерации для модели линейного тренда.

2. Разработана обобщающая модель учета неоднородности потока отказов. Введено понятие приведенного коэффициента готовности, на базе которого предложена схема постановки задачи оптимизации.

3. Разработан метод получения численной оценки закона распределения для обобщенной модели учета неоднородности потока отказов. На практическом примере рассмотрено его применение.

4. Разработан комплекс программ, реализующий алгоритмы структурного моделирования и позволяющий получать характеристики надежности систем, использующих пользовательские схемы и структуры данных методом имитационного моделирования.

1. Острейковский В.А. Старение и прогнозирование ресурса оборудования атомных станций. - М.: Энергоатомиздат, 1994, с. 212.

2. Герцбах Н.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М., Советское радио, 1966, с. 124.

3. Гулина О.М., Копров С.В., Острейковский В.А. Анализ состояния разработки методов оценки влияния старения на безопасность атомных станций. Научно-технический отчет. Обнинск: ИАТЭ, 1991, с. 12-17.

4. Иванов B.C. Разрушение металлов. М.: Металлургия, 1979, с. 214.

5. Кузьмин Г.Г. Прикладная механика хрупкого разрушения. Обнинск: ИАТЭ, 1989, с. 210.

6. Острейковский В.А. Физико-статистические модели надежности элементов ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 236.

7. Chandha J. A., Pachner J. Canadian Program on Understanding and Managing Aging Degradation on Nuclear Power Plant Components. Canadian Nuclear Soc. Conf. Ottawa, Canada, June 4-7,1989, p. 133.

8. Combes J.-P., Noel R. Lifetime of Nuclear Power Plant: an Economic Challenge. Framotome, Symp. 1989, 18 October 1989, p. 97.

9. Острейковский В. А. Влияние старения оборудования на срок службы и безопасность атомных станций. Обнинск: Институт Атомной Энергетики, 1992, с. 215

10. Ю.Проников А. С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978, с. 217.

11. П.Куликов И. В. Обоснование математической модели монотонного дрейфа параметров изделий электронной техники. М.: Надежность и контроль качества. Январь 1987, с. 193.

12. Радаев Н. Н., Структура системы управления безопасностью потенциально опасных объектов, Ядерная энергетика, №2, 1998, с. 7-13.

13. Саенко Н. Б. Учет неполноты восстановления элементов при расчете надежности систем, Изв. Вузов, Приборостроение, 1994, с. 16-23.

14. Островский Е. И., Саенко Н. В. Погрешности численного решения интегральных уравнений теории надежности, Диагностика и прогнозирование надежности элементов ЯЭУ, сборник научных трудов № 9 кафедры АСУ, Обнинск: 1994, с. 17-24.

15. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1969, с. 312.

16. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность: Пер. с англ. М.: Наука, 1985, с. 292.

17. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание: Пер. с англ. М.: Радио и Связь, 1988, с. 281.

18. Бахвалов Н.С. Численные методы (том 1) М.: Наука, 1973. с. 112-147.

19. Хантер Р., Брукшер П. Использование метода Монте-Карло в физических моделях: Пер. с англ. -М: Наука, 1996, с. 112.

20. Antonov А.V., Volnikov I.S., Dagaev A.V. Application for non-asymptotic models for the NPP systems. // Proceedings of ESREL'99 The Tenth European Conference on Safety and Reliability, Munich-Garching, Germany, September 1999, c.969-974.

21. Антонов A.B., Волников И.С. Дагаев A.B. Применение неасимптотических моделей для анализа надежности систем атомных станций. // Тезисы докладов на международном конгрессе "Энергетика 3000", октябрь 1998, Обнинск, с. 13.

22. Антонов A.B., Волников И.С. Дагаев A.B. Об одном методе определения остаточного ресурса оборудования ЯЭУ. // Тезисы докладов на международном конгрессе "Энергетика 3000", октябрь 1998, Обнинск, с. 15.

23. Волников И.С. Построение модели надежности сложной системы с учетом неполного восстановления. // Тезисы докладов на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика 97», сентябрь 1997, МИЭТ Москва, с.20.

24. Антонов А. В., Козин И. О., Дагаев А. В., Волников И. С. Расчет остаточного ресурса подсистем СУЗ Билибинской АЭС. // Сборник статей международной конференции по надежности оборудования ЯЭУ, Будапешт 1997.

25. Волников И.С., Чепурко В.А. Неоднородный поток отказов и восстановлений. // Сборник научных трудов кафедры АСУ, вып. №13, Обнинск 2001.

26. Кисель И.М., Антонов A.B., Дагаев A.B., Волников И.С. Анализ показателей надежности и ресурсных характеристик подсистем СУЗ Билибинской АЭС. // ВАБ (тема 204361700361), Концерн «РосЭнергоАтом», Москва 1997, с.9-34.

27. Харрис Т. Теория ветвящихся процессов: Пер. с англ. // «Мир», Москва1966, с.43-50.

28. Венцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. // «Наука», Москва 1991, с.47-72.

29. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразованию: Пер. с англ.- М.: «Наука», 1971. // с.256-288.

30. Кокс Д., Смит В. Теория восстановления: Пер. с англ.- М.: «Сов. радио»,1967.//с. 245-312.

31. Кокс Д., Хинкли Д., Теоретическая статистика: Пер. с англ.- М.: «Наука», 1978. // с.347, с.381.

32. Гнеденко Б. В., Курс теории вероятностей: М.: «Наука», 1965. // с.308-318.

33. Барзилович Е. Ю., Каштанов В. А. Организация обслуживания при ограниченной информации о надежности системы М.: «Сов. радио», 1975. //с. 3-17, с 88-95.

34. Барзилович Е. Ю., Каштанов В. А. Некоторые математические вопросы теории обслуживания сложных систем. М.: «Сов. радио», 1971. // с. 17-26, с. 31-42.

35. Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем. Пер. с немец. -М.: «Мир», 1979. // с. 10-35, с41-134.

36. Клемин А. И. Надежность ядерных энергетических установок. Основы расчета. М.: «Энергоатомиздат», 1987, с 237.

37. Кисель И.М., Антонов A.B., Игнатов А,В, Дагаев A.B., Волников И.С. Анализ показателей надежности и ресурсных характеристик подсистем СУЗ Билибинской АЭС. // ВАБ (тема 204361700361), Концерн «РосЭнергоАтом», Москва 1997, с.9-34

38. Антонов A.B., Волников И.С., Дагаев A.B. и др. Вероятностный анализ безопасности первой очереди Билибинской АЭС, количественный анализ аварийных последовательностей (том 6). // Отчет о НИР, Обнинск ИАТЭ, 1998,-108 с.

39. Розанов Ю. А., Случайные процессы -М.: «Наука», 1979,13-45 с.

40. Бернштейн С. Н., Теория вероятностей, изд. 4-е М.: «Гостехиздат», 1946, 19-27 с.

41. Вентцель Е. С., Теория вероятностей, изд. 3-е М.: «Наука», 1964, 17-35 с.

42. Кисиль И.М., Антонов A.B., Волников И.С. и др. Анализ показателей надежности и ресурсных характеристик подсистем СУЗ Билибинской АЭС. // Отчет о НИР (тема 204361700361, № госрегистрации 361-10), ВНИИАЭС, Москва 1997, с.9-34.

43. Антонов A.B., Волников., Дагаев A.B. и др. Вероятностный анализ безопасности первой очереди Билибинской АЭС, представление и анализ результатов (том 7). // Отчет о НИР (тема 204361700361, № госрегистрации 361-117), Обнинск ИАТЭ, 1998,6-61 с.

44. Надежность в технике. Термины и определения. ГОСТ 27.002.-89. М.: Издательство стандартов, 1990, с. 250.

45. Климов Г.П. Теория вероятностей и математическая статистика. -Издательство московского университета. 1983, с. 267.

46. Каштанов В.А., Шнурков П. В. Оптимальные процедуры проверки при произвольном распределении времени индикации отказов. Основные вопросы теории и практики надежности. -М.: «Советское радио», 1980, с.139-157.

47. Перегуда А. И. Контроль систем с учетом конечного времени обслуживания требований. Надежность ядерных энергетических установок. Сборник научных трудов №8 кафедры АСУ. Обнинск 1992, с.27-32.

48. Перегуда А. И. Вычисление показателей надежности систем с учетом зависимости отказов элементов. Диагностика и прогнозирование надежности элементов ядерных энергетических установок. Сборник научных трудов №8 кафедры АСУ. Обнинск 1992, с.31-36.

49. Перегуда А.И. Вычисление коэффициента готовности с учетом общих причин. Диагностика и прогнозирование надежности элементов ядерных энергетических установок. Сборник научных трудов №6 кафедры АСУ. Обнинск 1990, с. 19-24.

50. Григорьева М.Л., Островский Е.И. Численное решение интегральных уравнений теории надежности. Прогнозирование надежности элементов ядерных энергетических установок Сборник научных трудов №5 кафедры АСУ. Обнинск 1989, с.15-18.

51. Баннаи Э., Ито Т. Алгебраическая комбинаторика, схемы отношений. -М.: Мир, 1987, с.25-45.

52. Копченова Н. В., Марон И. А. Вычислительная математика в примерах и задачах М.: «Наука», 1972, с.67-89.

53. Барзилович Е. Ю., Павленко М. И. Некоторые новые результаты в использовании минимаксных подходов для решения задач технического обслуживания. Основные вопросы теории и практики надежности. -М.: «Советское радио», 1975, с.22-32.

54. Гоголевский В. Б., Грабовецкий В. П. Оценка надежности нерезервированной и резервированной восстанавливаемой аппаратуры при ограниченном количестве восстановлений. О надежности сложных технических систем. -М.: «Советское радио», 1966, с.169.

55. Райкин А. П. Элементы теории надежности для проектирования технических систем. -М.: «Советское радио», 1967, с.245.

56. Демидович Н.О. Стандартизация расчетов надежности: расчет безотказности изделий с резервом. Надежность и контроль качества, -М.: Радио и связь, 1987, с. 45-62.

57. Волков Ю. В., Антонов А. В., Волников И. С. и др. Оценка надежности систем контроля, управления и защиты реактора БАРС-6 стенда Б. // Отчет о НИР (тема 1970007938, № госрегистрации 970-124), Обнинск ИАТЭ, 2000, 34-67с.

58. Антонов А. В., Волников И. С., Дагаев A.B. Метод определения остаточного ресурса оборудования ЯЭУ. CD-ROM издание статей конференции

59. Надежность и безопасность в ядерной энергетике» (18КЕЬ-98), Япония, Токио, 1998, с.345-351.

60. Краснов М. Л., Киселев А. И., Макаренко Г. И. Интегральные уравнения -М.: Наука, 1976, с.210-212.

61. Таратунин В. В., Елизаров А. И. Вероятностные методы управления надежностью АЭС, энергоблоков, и отдельного оборудования на этапе эксплуатации и продление назначенного срока службы. // Доклад ВНИИАЭС, Москва, 1999, с.126.

62. Таратунин В. В. Применение методов марковских графов в задачах распределения требований к надежности. // Технический отчет ВНИИАЭС, Москва, 1997, с.48.

63. Таратунин В. В. Вероятностная оценка надежности оборудования и систем с учетом старения и действующей системы ТоиР. // Технический отчет ВНИИАЭС // Москва, 2000, с. 101.

64. Таратунин В. В., Елизаров А. И. Вероятностная оценка надежности оборудования и систем АЭС с учетом старения и действующей системы ТоиР. // Отчет ВНИИАЭС, 1999, с. 125.

65. Кокс Д., Льюис П. Статистический анализ последовательностей событий.// М.:Мир, 1969, с.231.

66. Ибрагимов И.А., Хасьминский Р.З. Асимптотическая теория оценивания.// М.: Наука, 1979, с.167.

67. Леман Э. Теория точечного оценивания.// М.:Наука, 1991, с. 324.12976.0стрейковский В.А., Таратунин В.В. Защитные системы безопасности энергоблока атомной станции с ВВЭР-1000 и их надежность// Обнинск.: ИАТЭ Обнинск, 1991., с. 84.

68. Барзилович Е.Ю., Воскобоев В.Ф. Эксплуатация авиационных систем по состоянию:(Элементы теории). //М.: Транспорт, 1981. 179 с.

69. ГОСТ 27.003-89. Надежность в технике. Выбор и нормирование показателей надежности.

70. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Термины и определения.

71. Моудера Дж., Элмаграби. М. Исследование операций: // Пер. с англ.: Мир, 1981 Т. 1.С.712.

72. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики.// М,: Советское радио, 1975, с.462.