автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Совершенствование методов контроля и количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики

На правах рукописи

ФИЛЕНКОВ Виктор Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ИЗДЕЛИЙ СВЯЗИ И АВТОМАТИКИ

Специальность 05.11.13-«Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2004

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения на кафедре «Радиотехника».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Держо Геннадий Георгиевич.

доктор технических наук, профессор Майстренко Василий Андреевич; кандидат технических наук Раскин Евгений Михайлович.

Ведущая организация -

ФГУП «Омский научно -исследовательский институт приборостроения».

Зашита состоится «26» февраля 2004 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Омском государственном техническом университете (ОмГТУ) по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзывы на диссертацию в двух экз., заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета на имя ученого секретаря. Автореферат разослан «23» января 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 кандидат технических наук, доцент

М.Ю. Пляскин

2004^1

27476

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Различные инциденты последнего десятилетия привели к пониманию того, что обеспечение безопасности техники — важная составляющая научно-технической политики современного общества.

Для начального этапа решения задач обеспечения и контроля безопасности техники, ответственных технологических процессов (ОТП) было характерно использование принципа абсолютной безопасности, в соответствии с которым при создании изделий и технических систем ставилась задача полностью исключить отказы, приводящие к угрозе человеческой жизни, экономике или окружающей среды.

Очевидно, что доминирование принципа абсолютной безопасности исключает возможности: количественной оценки различных изделий по показателям безопасности; нормирования показателей безопасности; контроля достаточности фактического уровня безопасности и, как следствие, сертификации изделий по показателю безопасности.

Вследствие этого в 90-х годах XX века начал формироваться новый подход к решению проблемы безопасности ОТП, отличающийся применением вероятностных оценок.

На этапах разработки, изготовления и эксплуатации необходим качественный и количественный контроль безопасности технических систем и отдельных изделий. В основе количественного контроля безопасности лежит расчет показателей безопасности. Теория безопасности является молодым, интенсивно развивающимся научным направлением на стыке теорий надежности, вероятностей и системного анализа, поэтому известные до настоящего времени количественные показатели безопасности либо сформулированы только в общем виде (подход к решению вопроса), либо не позволяют учитывать многие из влияющих факторов и дают точечную оценку.

Показатели безопасности изделий и систем должны иметь необходимое научное обоснование и учитывать основные влияющие факторы: надежностные свойства компонентов, условия среды эксплуатации, критичность отказов по последствиям, параметры систем диагностирования, технического обслуживания (ТО) и восстановления, а также квалификацию персонала.

Применение показателей теории надежности для количественной оценки безопасности изделий затруднено, поскольку необходимо выполнять разделение отказов по последствиям их влияния на человеческую жизнь, экономику и окружающую среду.

Совершенствование комплексных показателей безопасности, учитывающих перечисленные выше влияющие факторы, и разработка математических моделей их расчета является актуальной задачей количественного контроля безопасности изделий.

Вопросами оценки показателей эффективности и оптимизации технического обслуживания систем занимались ученые: Е.Ю. Барзилович, А.И. Брейдо, В.Г. Воробьев, В.В. Глухов, П.С. Давыдов, Г.Г. Держо, И.Е. Дмитренко, К.А.

РОС. НАЦИОНАЛЬНА*

»

БИБЛИОТЕК* СП«** О» Ш

Иыуду, В.П. Калявин, А.В. Мозгалевский, В.А. Овсянников, Г.С. Пашковский, Н.А. Северцев и другие.

Вопросами контроля и количественной оценки безопасности изделий, систем и технологических процессов занимались ученые: Д.В. Гавзов, В.Н. Костюков, В.М. Лисенков, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, В.И. Талалаев, Х.А. Христов, В.И; Шаманов, Р.Ш. Ягудин и другие.

Целью диссертационной работы является совершенствование методов количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики, а также повышение эффективности их контроля и технического обслуживания (ТО).

Задачи диссертационных исследований. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1) совершенствование показателей безопасности (ПБ) изделий с учетом параметров систем технического обслуживания и восстановления, ошибок диагностирования, квалификации обслуживающего персонала;

2) разработка математической модели количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики;

3) исследование влияния ошибок диагностирования первого и второго рода на показатели безопасности и временные параметры процесса ТО;

4) разработка методов формирования исходных данных для моделирования ПБ изделий;

5) определение количественных значений ПБ изделий связи и автоматики на основании экспериментальных, экспертных и статистических данных о надежности электронных компонентов и разработка рекомендаций по срокам их ТО с использованием математического моделирования.

Объекгом исследований являются изделия связи и автоматики, применяемые в ответственных за безопасность технологических процессов системах управления и контроля.

Методы исследований.

Теоретические исследования выполнены с использованием положений теорий вероятностей, надежности, марковских и полумарковских процессов, а также системного анализа.

Обработка теоретических и экспериментальных результатов исследования выполнена в математических средах Excel и MathCAD с использованием персонального компьютера типа IBM PC.

Научной новизной и значимостью обладают следующие результаты:

1) показатели безопасности изделий: функционалы безопасности и безопасного технического использования;

2) математическая модель расчета предложенных показателей безопасности изделий;

3) методы определения интенсивности опасных отказов: табличный и экспертный.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) применение функционала безопасности позволяет получить более достоверную оценку по сравнению с коэффициентом безопасности, так как он

позволяет учитывать условия эксплуатации, технического обслуживания и восстановления, квалификацию обслуживающего персонала, внезапные и постепенные отказы, а также ошибки диагностирования;

2) математическая модель расчета предложенных показателей безопасности изделий отличается возможностями расчета времени и установившейся вероятности пребывания в состояниях (исправном, защитном, опасном, технического обслуживания, восстановления, а также в состояниях скрытого и ложного отказов, обусловленных ошибками аппаратуры диагностирования) при различных законах распределения времени наработки на отказ;

3) методы определения интенсивности опасных отказов: табличный и экспертный, отличающиеся возможностями: применения до внедрения изделий в эксплуатацию; учета внезапных и постепенных воздействий на элементы, а также условия будущей эксплуатации;

4) совместное применение функционалов безопасности и безопасного технического использования позволяет рекомендовать рациональную периодичность технического обслуживания с учетом требуемой безопасности.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена;

1) корректным применением математического аппарата (теорий вероятностей и марковских процессов), расчетами с использованием математической модели при помощи среды программирования МаШСЛО на ЭВМ, адекватностью реакции модели на изменение ее входных данных;

2) получением частных, ранее известных моделей расчета показателей безопасности при игнорировании (обнулении) дополнительно учитываемых ею входных данных;

3) небольшим значением (до 10 процентов) погрешности определения оптимальной периодичности ТО. Значение погрешности определено путем сравнения данных многолетней эксплуатации изделий с полученными результатами моделирования;

4) значительным (почти до 100 процентов) уточнением показателя, применяемого взамен коэффициента безопасности. Значительное уточнение достигнуто вследствие применения теории полумарковских процессов при определении среднего времени нахождения в безопасных состояниях, учитывающего периодичность ТО, ошибки диагностирования и квалификацию персонала.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель позволяет рассчитывать значения ПБ изделий в произвольный момент времени, по результатам расчета рекомендовать нормы ПБ и периодичность ТО с учетом требуемого уровня безопасности. Использование математических моделей создает предпосылки для формирования компьютерных банков данных.

Сформулированы рекомендации о назначении допустимых значений ПБ и периодичности проверок радиостанций типа РВ-1М.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ, осуществляемых по указаниям Ми-

нистра путей сообщения России: «Теория количественной оценки вклада систем связи в безопасность технологических процессов на железнодорожном транспорте» (2002 - 2003 гг.). Результаты исследований применяются также в составе АРМ диагностирования приемопередатчиков технологической радиостанции РВ-1М, внедренного на базе Красноярской дорожной дистанции связи (ШЧ-2) Красноярской железной дороги.

Апробация результатов исследования. Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на научно-практической конференции, посвященной 100-летию железнодорожного образования в Сибири, 70-летнему юбилею ОмГУПС (ОмИИТ) «Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств» (Омск, 2000 г.), восьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2002 г.), И международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта России» (Ульяновск, 2002 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, 2002 г.), IV научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2003 г.), научно-техническом семинаре ОмГУПС «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2003 г.).

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.

Личный вклад соискателя заключается в

1) составлении матрицы переходных вероятностей, получении и решении системы уравнений для определения установившихся значений вероятностей и времени пребывания изделий в различных состояниях, составлении выражений искомых функционалов;

2) разработке вопросов подготовки входных данных моделирования предложенных функционалов и новых методов определения интенсивности опасных отказов (табличного и экспертного) с учетом условий эксплуатации изделий, внезапных и постепенных воздействий;

3) доказательстве адекватности модели исследуемым процессам и определении погрешностей моделирования;

4) исследовании практических вопросов моделирования изделий контроля и радиосвязи и формировании рекомендаций по рациональной периодичности их технического обслуживания, а также нормативных значений показателей безопасности.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 134 страницах, содержит 10 таблиц, 16 рисунков, список из 74 литературных источников, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, практическая ценность и научная новизна. Определены цели и поставлены задачи исследований.

Первая глава посвящена введению в терминологию, анализу применяемых ПБ, методам их нормирования и контроля, обоснованию и отбору основных факторов, влияющих на безопасность изделий. Под безопасностью изделия понимаем его свойство не быть источником опасности для человека или окружающей среды из-за нарушения работоспособности (по причине внутренних отказов).

Обоснован перечень основных факторов, влияющих на безопасность изделий: структурные методы построения, режимы работы элементов и их старение, условия среды эксплуатации, параметры систем технического обслуживания и восстановления, ошибки диагностирования встроенной и внешней аппаратуры, квалификация обслуживающего персонала.

Ошибка диагностирования первого рода (а) - это вероятность признать исправное изделие неисправным. Ошибка диагностирования второго рода (Р)— это вероятность признать неисправное изделие исправным.

В настоящее время для количественной оценки безопасности изделий применяются основные вероятностные показатели: вероятность безопасной работы (P6(t)); вероятность опасного о т к е д н е е время наработки до опасного отказа (Топ); среднее время наработки на опасный о т к (ТбсР);> э ф -фициент безопасности

При экспоненциальном законе распределения времени безопасной работы (won(t) = Xon(t) = Хо„ = const) среднее время наработки на опасный отказ и коэффициент безопасности определяют в соответствие с (1) — (2).

(1) (2)

где Xon, Xo„(t) — интенсивность опасных отказов изделия;

(flon(t) — параметр потока опасных отказов; — среднее время восстановления.

В результате анализа установлено, что основные ПБ дают точечную оценку, не позволяют учитывать большую часть из влияющих факторов, например, параметры систем диагностирования, технического обслуживания и квалификацию персонала. Для устранения недостатков предложены модифицированные комплексные показатели: функционалы безопасности (K$(T)) и безопасного технического использования (Кбт«(Т)), позволяющие определять, соответственно, допустимое значение и значение оптимального времени между ТО аппаратуры в точке максимума

Вторая глава посвящена разработке математической модели количественной оценки безопасности технических систем.

Сформулирован ряд обязательных требований к моделям оценки безопасности технических систем. Наиболее полно требованиям удовлетворяют модели, построенные на основе марковских и полумарковских процессов. Они позволяют учитывать множества состояний, в которых находятся технические системы в процессе эксплуатации, случайный характер переходов из Б-го в &-е состояния, случайное или детерминированное воздействие на параметры систем обслуживающего персонала и окружающей среды, другие воздействия.

- Определены и обоснованы состояния системы для оценки ее безопасности. Составлен граф состояний и переходов системы (рис. 1).

Рис. 1. Граф состояний и переходов системы для оценки ее безопасности

На графе обозначены состояния: So - исправное; S, —квазиработоспособное защитное; S2 - неработоспособное опасное; S3 - скрытого отказа; S4 -ложного отказа; STo — ТО исправной системы; Sito, - восстановления системы при защитном отказе (или оперативного ТО); Бзто - ТО системы, находящейся в скрытом отказе.

В отличие от ранее известных графов отдельно выделены состояния скрытого (S3) и ложного (S4) отказов, восстановления (Sito) и технического обслуживания системы (Sto, S3to). Состояния скрытого и ложного отказов позволяют учесть влияние ошибок диагностирования первого и второго рода на показатели безопасности. Разделение состояний восстановления (Sito) и технического обслуживания системы обусловлено различными последствиями отказов и способами их устранения.

Система в защитном состоянии Si работоспособна с точки зрения обеспечения безопасности, но отдельные элементы в системе могут быть неработоспособны. Поэтому состояние Si является квазиработоспособным защитным состоянием.

Вероятности переходов системы из Б.-го состояния в Б^е определены из рассмотрения физики смены состояний исследуемого процесса. Составлена матрица вероятностей переходов (3), соответствующая рассмотренному графу состояний и переходов системы. Она необходима для вывода выражений финальных вероятностей. В матрице приняты следующие обозначения: Ро1(Т) функция распределения (ФР) времени наработки на защитный отказ; Ро:>(Т) -ФР времени перехода из работоспособного состояния в опасное; Р|г(Т) ФР времени перехода из защитного состояния в опасное; Т - время эксплуатации -исправной системы с момента её включения, завершения технического обслуживания или восстановления после отказа; Рто(1то) — ФР времени безотказной работы при ТО; й| и аг - вероятность ошибки первого рода встроенной и внешней аппаратурой диагностирования (АД), соответственно; и Рг — вероятность ошибки второго рода встроенной и внешней АД, соответственно.

Матрица-строка финальных вероятностей имеет вид (4), а система уравнений их расчета получается в результате умножения матрицы-строки финальных вероятностей л на матрицу переходных вероятностей Р. При этом должно выполняться условие (5).

Я=|710(Т), я,СП, я2СО. *з(Т), я4(Т), %о(Т), Я|ТО(Т), %г0(Т)|. (4)

(5)

В результате выполнения (5) получаем систему уравнений (6).

Будем считать приносящими доход (безопасными) состояния Бо, и Бд. В квазиработоспособном защитном состоянии Б) система будет приносить доход, так как в этом состоянии применяются так называемые инструктивные методы обеспечения безопасности. В состоянии 84 аппаратура диагностирования признает работоспособную систему неисправной, в то время как в действительности она исправна и приносит доход. Состояния технического обслуживания

(StO и S3T0) не относим к приносящим доход состояниям, поскольку ТО большинства систем, обеспечивающих безопасность, выполняется в запланированный промежуток времени, во время которого предусматривается выключение системы из эксплуатации или её замена на исправную и отрегулированную. Система также не приносит доход в состояниях отказов (S2 и S3) и оперативного ТО-восстановления (Sito)- Если процесс ТО отдельных систем выполняют без выключения, то при моделировании ПБ таких систем следует учитывать доход системы в состоянии

Время нахождения в безопасных состояниях (со,(Т)), приносящих доход, и наблюдаемое время нахождения системы во всех состояниях (у, (Г)) определено в соответствие с теорией полумарковских процессов (7) — (17).

со0(Т) = (I - а,) J[[l - F02(T)Il - F01(x)]]dT.

(7)

где

где

со,(Т) = (1-а,) J[l - F,2(t)]dT,

(8)

^ - время оповещения персонала об отказе;

1Д - время доставки обслуживающего персонала к отказавшему объекту.

«>4(Т>1„,

• время устранения ложного отказа.

v0(T) = (1 - а,) J[[l - F02(t) ][1 - F0, (т) Dd-c + р, jF02(T)dx. о о

V, (Т) = (1 - а,) °/Й - F,j (Т)] + Р, ° Jf„ (T)dT.

v2(T) = t.. v3(T) = T.

(9)

(10)

(И)

(12) (13)

(И)

(15)

(16) (17)

v«(T) = t„.

vTO(T) = (1 - а2)7[1 - FT0(x)]dt + P27FTO(T)dx. o o

'.-•о-'д >.-<о-1д

v1TO(T) = (l-a2) Я'-рто(т)]^ + Р2 jFTO(t)dx.

o o

узто(Т) = tT0.

Где t„ - время восстановления.

Предложенные модифицированные ПБ позволяют определить установившуюся вероятность нахождения системы в безопасных состояниях в произвольный момент времени. Функционал безопасности — отношение времени нахождения системы в состояниях, приносящих доход, к наблюдаемому суммарному времени эксплуатации системы, состоящему из последовательно чередующихся интервалов работы и восстановления:

к m - *оП>0(Т) + я, (Т)со, (Т) + я4(T)to4(T)

-. (18)

X [я, (T)v, (Т)]- 7iTO (T)vTO (Т) - 7t3TO (T)v3TO(T)

i=i

Функционал безопасного технического использования дополнительно учитывает перерывы в работе системы для выполнения технического обслуживания. Он рассчитывается через отношение времени нахождения системы в состояниях, приносящих доход, к наблюдаемому суммарному времени эксплуатации системы, состоящему из последовательно чередующихся интервалов времени работы, восстановления и технического обслуживания.

К6 (Т) (т)са°(Т) J*1 (T)t01 (Т) + 714(Т)й>4(Т) (19)

Достоинства функционалов Кб(Т) и КбтиСЛ в том, что они позволяют количественно учитывать влияние основных факторов на безопасность изделий: режимов работы элементов и их старения, условий среды эксплуатации, параметров систем технического обслуживания и восстановления, ошибок диагностирования встроенной и внешней аппаратуры, квалификацию персонала.

Графики зависимостей функционалов безопасности и безопасного технического использования приведены на рис. 2.

Рациональная периодичность ТО системы,Три, обеспечивает заданную безопасность и определяется из условия:

Тот — Трац ^ ТдОП, (20)

где Топт — оптимальная периодичность технического обслуживания, определяемая в точке экстремума Отметим, что максимальный технический эффект безопасной эксплуатации системы достигается в точке экстремума К6т„(Т) при Т = Т011т.

I«,,, - допустимое значение периодичности технического обслуживания, определяемое проекцией допустимого значения функционала безопасности Кб доп на ось времени.

Рис. 2. Графики зависимостей функционалов безопасности и безопасного технического использования от периодичности ТО

Определение значения Кб доХЛ связано с решением вопроса нормирования ПБ, так как оно позволяет оценивать безопасность снизу, а определяемое с его помощью значение Тдо|1 даст оценку периодичности технического обслуживания сверху. Значение К6доп(Т) может быть определено экспертно на основании информации о периодичности технического обслуживания систем-аналогов с установившимся для них значением периода между ТО в процессе эксплуатации и (или) в результате моделирования их ПБ.

В третьей главе рассматриваются вопросы подготовки информационной базы данных моделирования модифицированных комплексных показателей безопасности.

Информационной базой данных разработанной математической модели КОБ является совокупность сведений, необходимых для моделирования зависимостей функционалов от периодичности ТО. Разделение входных, данных по группам с присущими им определенными признаками проводится на основе рассмотренного графа состояний и переходов. Рассмотрим следующие группы входных данных, определяющие:

Ро.СО - ФР времени наработки на защитный отказ;

РогО) - ФР времени перехода из работоспособного состояния в опасное;

РцО) - ФР времени перехода из защитного состояния в опасное;

Рго(0 - ФР времени безотказной работы при ТО;

ошибки 1-го и 2-го рода встроенной (а|, р|) и внешней (аг, Р2) аппаратуры диагностирования;

временные параметры выполнения работ на системе.

Для экспоненциального закона времени наработки на отказ (применяется наиболее часто для изделий после этапа их приработки), учитывая, что при t=Tn А.(Т) - \ — const, ФР времени наработки на защитный (F01(T)) отказ определяется из выражения:

Аналогично для Fo2(T) и F|2(T):

где kt - коэффициент, учитывающий интенсивность перехода из S| в S2, а дополняющее его значение (1 —к|) — ИЗ So в S2.

В отличие от специализированных изделий безопасности, для которых переход из состояния защитного отказа в состояние опасного отказа исключается благодаря применению специальных схемотехнических решений и методов построения, в рассматриваемой математической модели переход из состояния исправной работы So ('рис. 1) в состояние опасного отказа S2 состоит из двух параллельных совместных процессов: непосредственного перехода из S0 в S2, обусловленного действием опасных отказов, и перехода из So в состояние защитного отказа Si с последующим переходом из S| в S2. Такое представление процесса необходимо для возможности оценки безопасности изделий, выполненных на элементной базе с симметричными отказами или при построении которых не применялись специальные схемотехнические решения.

Введение в математическую модель ФР времени безотказной работы при ТО (Fto(O) позволяет учитывать квалификацию обслуживающего персонала. Определение ФР вида Fxo(t) связано с большими трудностями. Обработка информации о частоте отказов, периодичности технического обслуживания и значениях параметров изделия позволит вплотную подойти к определению функции вида Fto(t). Учет в л и я н-и^н а показатели безопасности выполнен путем табулирования значений этой функции.

Для расчета ФР (30)-(32) определяют значения интенсивности опасных и защитных отказов изделий. Учитывая,- что при t = Т

lim (A.„(t)) = WD = А.„ = const, (24)

t-»T

где T - цикл работы системы между TÖ, обозначим максимальное значение интенсивности постепенных отказов за цикл работы изделия

Исходя из физики процесса возникновения отказов:

Значение интенсивности опасных отказов определяют теоретическими или экспериментальными методами. Быстрое моральное старение, сравнимое по времени с необходимым периодом сбора данных, заставляют ограничить применение экспериментальных методов.

Теоретический расчет интенсивности опасных отказов включает в себя несколько методов:

1) с применением коэффициента асимметрии отказов системы-аналога;

2) табличный;

3) экспертный.

Суть первого метода сводится к использованию коэффициента асимметрии отказов системы-аналога и данных о безотказности рассматриваемой системы. Интенсивность опасных отказов определяют в результате произведения. коэффициента асимметрии отказов на интенсивность внезапных отказов.

В основе табличного метода лежит анализ возникновения отказов элементов изделия и влияния последствий этого отказа на способность системы безопасно выполнять свои функции. Для наглядности расчетов составляется таблица, структура которой может быть следующей (табл. 1).

Таблица 1

Рекомендуемая форма представления расчетов интенсивности опасных отказов

Обозначение элемента ^■П 1 Виды опасного отказа г Вероятность опасного отказа вида <рг ко. ^•оп 1

1 2 3 4 5 6 7

В первую графу таблицы следует заносить, согласно принципиальной электрической схеме, обозначения элементов, отказ которых приводит к нарушению безопасности. Во вторую и третью графы - значения интенсивности внезапных и постепенных отказов, определенных методами теории

надежности. В четвертую и пятую графы таблицы заносим вид опасного отказа ьго элемента и вероятность его возникновения фг, с учетом наихудших режимов работы схемы и параметров ее элементов. Шестая графа таблицы отводится для коэффициента учитывающего постепенное изменение параметра

элемента. Значение кП1 определяют экспертно. Интенсивность опасного отказа

ьго элемента Хоп1 определяем в соответствии с выражением:

где i - элемент системы (¡=1,1^), вызывающий опасный отказ;

N - количество элементов системы, вызывающих опасный отказ; z - количество видов опасного отказа ьго элемента; <рг- вероятность опасного отказа ьго элемента вида г. Значения заносим в седьмую графу таблицы. Суммарное значение интенсивности опасных отказов системы определяется выражением:

Задача определения интенсивности опасных отказов по каждой выполняемой функции для сложных изделий и систем может быть упрощена путем применения экспертного метода. Во-первых, необходимо выделить вспомогательные узлы, субблоки и элементы схемы, отказ которых может приводить к снижению эффективности или ухудшению условий работы технического персонала. Их внезапные и постепенные отказы относят к защитным. Во-вторых, нужно оценить процент снижения постепенных отказов за счет проведения ТО. Эти отказы также относят к защитным. Оставшиеся отказы определяют искомое значение интенсивности.

Вероятность ошибок 1-го и 2-го рода встроенной (а], Р|) и внешней аппаратуры диагностирования определяют на основе накопленной статистики. При этом считается, что аппаратура диагностирования периодического действия имеет более высокий класс точности, чем встроенная, поэтому Получение вероятности ошибок возможно в самой модели, экспертным путем, а также из справочников по надежности.

Временные параметры выполнения работ на системе считаем детерминированными. Они определяются по результатам измерений, экспертным путем или моделируются на имитационной модели.

Время выполнения операций по как правило, состоит из време-

ни замены отработавшего цикл длиной (Т+1то) элемента, блока или изделия (1,), времени регулировки (1р) и времени проверки работоспособности объекта в целом Отработавшее изделие направляется в специализированные мастерские, где оно полностью восстанавливает свои свойства (в результате ремонта) или списывается.

В рассматриваемой модели время восстановления разделяется между состояниями защитного отказа и последующего восстановления В состояние система переходит после возникновения защитного отказа и может находиться в нем до начала работ по идентификации отказа обслуживающим персоналом. Время пребывания в состоянии S1 определяют следующие составляющие: время оповещения об отказе (10) и доставки обслуживающего персонала к отказавшему объекту (1д). Время оповещения об отказе начинается с момента его возникновения и заканчивается передачей информации на пульт дежурному персоналу. Значение времени оповещения определяется, в основном, параметрами встроенной системы диагностирования.

В состоянии оперативного технического обслуживания при защитном отказе обслуживающий персонал выполняет перечень необходимых работ по восстановлению работоспособности системы. Время восстановления объектов автоматики и связи в общем случае включает в себя следующие составляющие: оповещения об отказе (1Д доставки обслуживающего персонала к отказавшему объекту (1л), идентификации отказа (Ъ), наладки или замены отказавшего элемента, блока или изделия (13), регулировки (Ц) и проверки работоспособности объекта в целом

В четвертой главе рассмотрены вопросы практического моделирования модифицированных показателей безопасности изделий автоматики и связи.

Выполнена сравнительная оценка влияния значений ошибок диагностирования и интенсивности отказов на показатели безопасности (см. табл. 2), в результате анализа получены выводы:

а) реакция модели на изменение исходных данных адекватна физическому пониманию исследуемых процессов;

б) наибольшее влияние на ПБ оказывают значения интенсивности опасных и защитных отказов, а также ошибки диагностирования второго рода встроенной АД;

в) уменьшение интенсивности отказов является более приоритетным направлением повышения безопасности изделий по сравнению с совершенствованием АД.

Таблица 2

Влияние ошибок диагностирования и интенсивности отказов

Исходные данные Результаты

№ п/п Характер изменения значений СС| а2 Р. Р2 10'6 ч ^•оп» 10"6 Ч Т 1 опт, лет Кбти (ТоптУ ■ю-6

1 - 0,01 0,005 0,005 0,002 3,1 0,051 3,1 999980

2 а! р4< 0,005 0,002 0,002 0,0009 3,1 0,051 4,5 999987

3 аТ 0,1 0,05 0,002 0,0009 зд 0,051 4,4 999987

4 р2=р! 0,005 0,005 0,002 0,002 3,1 0,051 4,5 999987

5 р4- 0,002 0,002 0,0009 0,0009 3,1 0,051 6,7 999991

6 Т Лоп^ 0,002 0,002 0,0009 0,0009 10,66 0,133 4,8 999986

7 Хз4г Лоп-!' аТ рТ 0,01 0,01 0,005 0,005 1,84 0,018 4,8 999990

В качестве первого объекта моделирования выбран камертонный генератор ГКШ, применяемый для оперативного контроля за движением поездов. Выбор ГКШ обусловлен следующими факторами:

1) многолетняя эксплуатация позволила установить опытным путем допустимый предельный период его работы между регламентными операциями ТО;

2) доступностью технической документации.

Значения интенсивности внезапных и постепенных отказов рассчитаны методами теории надежности с учетом режимов работы элементов и условий эксплуатации изделия. Значения интенсивности защитных и опасных отказов определены с помощью разработанного табличного метода в соответствие с выражениями (25)-(27).

А

При моделировании использовались следующие входные данные: \оП = 51,46-10"9 1/ч; X, = 3114-Ю"9 1/ч; РТО(Т) = 0; I, = 8 мин.; ^ = 2 мин.; ^=5 мин.; 1о= 1 мин.;<д = 40 мин.;^ 10мин.;а1 = 0,005;а2 = 0,002; Р, =0,002; 32 = 0,0009.

Результаты моделирования показателей безопасности показаны пунктиром на рис. 3.

1

0.999997 0.999993

ми,

0.99999 К 6Т11(Т)

0.999987 0.999983 0.99998

Х-

к бдоп1( — г) 4 --

к б доп;( Г) у

* 1

Топт? 1 1 ^К^ 1 т 1 т . опт! 1 'доп V

0 I

->

8 лет 10

Рис. 3. Результаты моделирования показателей безопасности ГКШ

Из рис. 3 следует, что оптимальное значение периодичности ТО (Т0ПТ1) составляет 4,5 года. Допустимое значение Тдоп = 6 лет определено экспертно: путем опроса обслуживающего персонала высокой квалификации и с учетом установившейся в процессе многолетней эксплуатации периодичностью технического обслуживания ГКШ равной 5 лет. Тогда относительная погрешность определения периодичности ТО составит 10 процентов, а К6д0„,(Тдоп) = 0,999991.

Рациональное время между регламентным ТО выбирается по результатам моделирования из диапазона 4,5..6 лет. Полученное значение КбЛоп1(Т) = 0,999991 соответствует коэффициенту безопасности (2) при подстановке в него значений Тбср = 14 лет и Твср = 1,1 ч. Но значение Тбер, определенное согласно (1), превышает 2000 лет. В соответствии с принципами построения разработанной математической модели исправность изделий восстанавливается в процессе их ТО или ремонта (при следовательно, неравенство Тбср> Тдоп не имеет

физического смысла в рамках рассматриваемого подхода. Разработанная математическая модель уточняет выражение (2), так как определяет Т6ер с учетом многих влияющих факторов, а значение К$Д0П(Т) = 0,999991 может быть рекомендовано в качестве нижней границы безопасности камертонных генераторов при модернизации системы.

Влияние человеческого фактора (квалификации обслуживающего персонала - в узком смысле) на ПБ учитывается при помощи ошибок диагностиро-

вания и ФР времени безотказной работы при выполнении работ по ТО. Исходим из предположения, что вид ФР времени безотказной работы при выполнении работ по ТО неизвестен, но известны значения, которые она принимает при определенных моментах времени Т (табл. 3). То есть при I = Т, Рто(Т) = РтоС^го)-Применяя интерполяцию ФР Рто(Т) в среде MathCAD получаем моделируемые показатели безопасности с учетом квалификации персонала (сплошные линии на рис. 3). Учет ФР вида Рто(Т) приводит к снижению значений функционалов и уменьшению времени между ТО, то есть к адекватной реакции модели.

Таблица 3

Табулированные значения FTO(T)

В разработанной математической модели методом табуляции и последующей интерполяции можно задавать не только функции вида Рто(Т), РЧ(Т), но и другие параметры, аргументом которых выступает время Т, например, ^(Т), а(Т), Р(Т), 1в(Т), 1го(Т); при этом модель может использоваться как обучающая и давать ответы на вопросы «а что, если...?».

В качестве второго объекта исследования выбрана технологическая радиостанция РВ-1М. Из выполняемых функций, влияющих на безопасность, выделены прием и передача речевой информации.

При моделировании использовались следующие входные данные: Рто(Т) = 0; ^ = 15 мин.; ^ = 1 мин.; ^ = 8 мин.; ^ = 2 мин.; ^ = 40 мин.; = 15 мин.; а, = 0,005; а2 = 0,002; р, = 0,002; р2 = 0,001.

Значения интенсивности отказов получены экспертным методом. Приемник: ^ =9,79-Ю"6 1/ч; 14,31-Ю"5 1/ч. Передатчик: Хоп =6,7-10^ 1/ч; 10,03ТО"6 1/ч.

В результате моделирования определено оптимальное время между ТО по параметрам тракта приема радиостанции - 7 месяцев, передачи — 8 месяцев; допустимое - 12 месяцев. Рекомендованы нормы: Кбд0|,(ТД0П) = 0,99988 для тракта приема и 0,99983 для тракта передачи; рациональное время между ТО -один раз в год по параметрам тракта передачи и один раз по параметрам тракта приема.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В качестве критериев оценки безопасности изделий в работе предложены модифицированные комплексные показатели: функционалы безопасности и безопасного технического использования, отличающиеся возможностью учета влияния параметров систем технического обслуживания и диагностирования, а также квалификации обслуживающего персонала. Первый функционал необходим для нормирования уровня безопасности изделий и определения допус-

тимого времени между Второй функционал определяет оптимальное

значение периодичности технического обслуживания при максимальной безопасности — Топт- Рациональная периодичность ТО обеспечивает заданную безопасность и выбирается из условия

2. С использованием теории марковских и полумарковских процессов соискателем разработана математическая модель оценки безопасности, устанавливающая зависимость предложенных функционалов от основных влияющих факторов: внешних условий эксплуатации и свойств аппаратуры, технического обслуживания, квалификации обслуживающего персонала, ошибок диагностирования первого и второго рода, временных параметров проверки аппаратуры и устранения отказов. Модель позволяет рассчитывать время пребывания изделий в состояниях: исправном, защитном, опасном, технического обслуживания, восстановления, скрытого и ложного отказов.

3. Выполнено доказательство адекватности модели исследуемым процессам и проведен анализ влияния изменения исходных данных на предложенные показатели безопасности. Из результатов анализа следует, что наибольшее влияние на ПБ оказывают значения интенсивности опасных и защитных отказов, а также ошибки диагностирования второго рода встроенной аппаратуры диагностирования.

4. Предложено применять разработанную модель в качестве обучающей, поэтому выполнен ее перенос в среду программирования MathCAD 2001. Исходные данные и результаты расчета можно сохранять для формирования баз данных.

5. Рассмотрены вопросы подготовки и определения данных, необходимых для математического моделирования модифицированных комплексных показателей безопасности. Разработаны методы определения интенсивности защитных и опасных отказов с учетом условий эксплуатации, внезапных и постепенных воздействий на элементы изделий. Выполнена классификация данных. Входные данные модели КОБ могут быть заданы в виде постоянных значений, функций распределения или их комбинаций, а также табулированных значений.

6. Выполнено моделирование показателей безопасности изделий автоматики и связи: камертонного генератора ГКШ и технологической радиостанции РВ-1М. По результатам моделирования рекомендованы нормативные значения показателей безопасности и рациональная периодичность технического обслуживания с учетом требуемого уровня безопасности.

7. Научные результаты, полученные в работе, могут быть использованы для нормирования показателей безопасности изделий, определения периодичности их ТО, контроля фактического уровня безопасности и сертификации изделий по показателю безопасности, а также при разработке АРМ диагностирования изделий связи и автоматики.

8. Эффективность применения разработанной математической модели выражается в снижении количества аварий, катастроф на производстве и на транспорте, а также неплановых остановок ОТП из-за отказов изделий.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Филенков В.В. Двойной критерий оценки безопасности систем связи // Безопасность движения поездов: Тр. науч.-практ. конф. / МИИТ. М., 2003. С. II-24, И-25.

2. Оптимизация периодичности проверки рельсов средствами дефектоскопии / В.А. Королев, В.В. Филенков, А.В. Ярков и др. // Контроль, диагностика и прогнозирование состояния устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. С. 39 - 44.

3. Критерии количественной оценки безопасности технических объектов железнодорожного транспорта / Держо Г.Г., Филенков В.В. // Проблемы электромагнитного влияния и надежность функционирования систем передачи информации на железнодорожном транспорте: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2001. С. 72 - 75.

4. Метод количественной оценки безопасности электронных устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / Г.Г. Держо, В.В. Филенков // Контроль, диагностика и прогнозирование состояния устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. С. 29 - 33.

5. Филенков В.В. Математическое моделирование внутренней безопасности аппаратуры связи // Современные техника и технологии: Труды восьмой междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Томский политехи. ун-т. Томск, 2002. Т.2. С. 166 -168.

6. Применение модифицированных комплексных показателей надежности и безопасности для оценки эксплуатационных характеристик систем связи / Г.Г. Держо, В.В. Филенков, М.Л. Батин // Проблемы безопасности на транспорте: Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. / Белорусский гос. ун-т трансп. Гомель, 2002. С. 171-172.

7. Филенков В.В. Опыт применения математического моделирования количественной оценки внутренней безопасности устройств связи // Современные науч.-техн. проблемы транспорта России: Сборник материалов II междунар. науч.-техн. конф. / Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации. Ульяновск, 2002. С.290-292.

8. АРМ измерения уровней сигналов поездной радиосвязи вагон - лабораторией / В.В. Филенков, А.В. Ярков, А.В. Закуцкий и др. // Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств: Сб. науч. статей с меж-дунар. уч. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2000. Ч. 4. С. 91 - 93.

9. Обобщенный критерий количественной оценки слабо формализованных процессов / Г.Г. Держо, В.В. Филенков // Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой. Сб. науч. статей / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2000. Вып. 6. С. 49 -

ФИЛЕНКОВ Виктор Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ИЗДЕЛИЙ СВЯЗИ И АВТОМАТИКИ

Специальность 05.11.13-«Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

Тип. Заказ 70

Тираж 100 экз. Гарнитура Times. Офсет

Формат 60x90'/,

Подписано в печать 22.01.2004 Усл. псч. л. 1,5

Типография ОмГУПС 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

р-2161

РНБ Русский фонд

2004-4 27476

Введение

1. Современное состояние задач оценки безопасности технических систем

1.1. Основные понятия и определения

1.2. Понятие «безопасность» на примере железнодорожного транспорта

1.3. Показатели надежности и безопасности

1.4. Концепция и стратегии обеспечения безопасности

1.5. Требования и методы обеспечения безопасности

1.6. Нормирование и контроль показателей безопасности

1.7. Постановка задачи исследования

1.8. Выводы по разделу

2. Математическая модель количественной оценки безопасности технических систем

2.1. Требования к моделям оценки безопасности технических систем

2.2. Алгоритм построения модели

2.3. Составление графа состояний и переходов системы для оценки ее безопасности

2.4. Определение вероятности переходов оцениваемой системы из Sj-ro состояния в Sj-e

2.5. Определение времени нахождения системы в различных состояниях

2.6. Модифицированные показатели безопасности — KG(T) и Кб.т.и(Т)

2.7. Область применения, допущения и ограничения модели КОБ

2.8. Выводы по разделу

3. Информационная база данных моделирования модифицированных комплексных показателей безопасности 73 3.1. Классификация входных данных моделирования модифицированных комплексных показателей безопасности

3.2. Функции распределения вида Fjj(t) и FTO(t)

3.3. Определение параметров функций распределения вида Fij(t)

3.3.1. Расчет интенсивности опасных отказов с применением

3.3.2. Расчет интенсивности опасных отказов табличным методом

3.3.3. Расчет интенсивности опасных отказов экспертным методом

3.4. Вероятностно-диагностические и временные данные моделирования

3.5. Последовательность этапов подготовки данных и моделирования

3.6. Оценка погрешности и подтверждение адекватности математической модели расчета предложенных показателей безопасности

3.7. Выводы по разделу 94 4. Моделирование модифицированных показателей безопасности

4.1. Влияние ошибок диагностирования и интенсивности отказов на показатели безопасности

4.2. Моделирование показателей безопасности камертонного генератора

4.2.1. Общая характеристика системы управления и контроля за движением поездов и область применения камертонного генератора

4.2.2. Моделирование показателей безопасности с применением табулирования функции FT0(T). Учет влияния человеческого фактора на показатели безопасности

4.3. Моделирование показателей безопасности возимой радиостанции

4.4. Выводы по разделу 123 Заключение 124 Список использованных источников 126 Приложение 1. Акт об использовании результатов научных исследований и разработок в производстве 133 Приложение 2. Результаты расчета показателей эффективности внедрения «АРМ диагностирования УПП РВ-1М» коэффициента асимметрии отказов системы-аналога

Список обозначений и сокращений

АД — Аппаратура диагностирования АБ — Автоблокировка

AJ1C — Автоматическая локомотивная сигнализация

АПС — Автоматическая переездная сигнализация

АРМ — Автоматизированное рабочее место

АСУ — Автоматизированная система управления

АЭС — Атомная электростанция

ГИД — График исполненного движения

ГКШ — Генератор камертонный штепсельный

ГМВ — Гектометровые волны

ДК - Диспетчерский контроль

ДНЦ — Поездной диспетчер

ДСН - Двойное снижение напряжения

ДСП - Дежурный по станции

ДЦ — Диспетчерская централизация

ЖДТК - Железнодорожный транспортный комплекс к.з. - Короткое замыкание

КОБ — Количественная оценка безопасности

MB — Метровые волны

МЭК — Международная электротехническая комиссия ОТП — Ответственный технологический процесс ПБ — Показатели безопасности ПИП — Подавитель импульсных помех ПШ — Подавитель шума

СЖАТ — Системы железнодорожной автоматики, телемеханики

СЖАТС — Системы железнодорожной автоматики, телемеханики и связи

ТО — Техническое обслуживание

УПП — Унифицированный приемопередатчик

ФР — Функция распределения

ЧДК — Частотный диспетчерский контроль

ЭВМ — Электронно-вычислительная машина

ЭЦ — Электрическая централизация

Усложнение техники, интенсификация производства, рост транспортного парка и действие других техногенных факторов могут приводить к тяжелым последствиям аварий на транспорте, АЭС, нефтепроводах и пр. Ряд инцидентов последнего десятилетия привели к пониманию того, что обеспечение безопасности технических систем - важная составляющая научно-технической политики современного общества, и стимулировали интенсивное развитие научно-технического направления «безопасность техники» /1/.

Проблема безопасности изделий и систем управления ответственными технологическими процессами всегда находилась под пристальным вниманием ученых и практиков. Методы решения этой проблемы изменялись вместе с изменением условий ее решения. Для начального этапа решения задач обеспечения и контроля безопасности ответственных технологических процессов (ОТП) было характерно /2/:

1) использование принципа абсолютной безопасности, в соответствии с которым при создании изделий и технических систем ставилась задача полностью исключить отказы, приводящие к угрозе человеческой жизни, экономике или окружающей среды;

2) применение, в основном,' методов создания запасов механической и электрической прочности элементов изделий;

3) формирование задач безопасности исключительно в детерминированной форме;

4) решение задач безопасности лишь в рамках создания отдельных видов технических систем.

При этих ограничениях происходила эволюция методов проектирования технических средств и систем обеспечения безопасности ОТП. Очевидно, что доминирование принципа абсолютной безопасности исключает возможности:

1) количественной оценки различных изделий по показателям безопасности;

2) нормирования показателей безопасности;

3) контроля достаточности фактического уровня безопасности и, как следствие, сертификации изделий по показателю безопасности /3/.

Вследствие этого в 90-х годах XX века начал формироваться новый подход к решению проблемы безопасности ОТП, отличающийся применением вероятностных оценок.

На этапах разработки, изготовления и эксплуатации необходим качественный и количественный контроль безопасности технических систем и отдельных изделий. В основе количественного контроля безопасности лежит расчет показателей безопасности. Теория безопасности является молодым, интенсивно развивающимся научным направлением на стыке теорий надежности, вероятностей и системного анализа, поэтому известные до настоящего времени количественные показатели безопасности либо сформулированы только в общем виде (подход к решению вопроса) /4/, либо не позволяют учитывать многие из влияющих факторов и дают точечную оценку /2, 5 - 8/.

Показатели безопасности изделий и систем должны иметь необходимое научное обоснование и учитывать основные влияющие факторы: надежностные свойства компонентов, условия среды эксплуатации, критичность отказов по последствиям, параметры систем диагностирования, технического обслуживания (ТО) и восстановления, а также квалификацию персонала.

Применение показателей теории надежности для количественной оценки безопасности изделий затруднено, поскольку необходимо выполнять разделение отказов по последствиям их влияния на человеческую жизнь, экономику и окружающую среду.

Совершенствование комплексных показателей безопасности, учитывающих перечисленные выше влияющие факторы, и разработка матема5 тических моделей их расчета является актуальной задачей количественного контроля безопасности изделий. Актуальность подтверждается рекомендациями IV научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (п. 3.7): «Продолжить работы по количественной оценке влияния периодичности, своевременности и полноты исполнения технологий технического обслуживания и ремонтов на безопасность движения поездов.»

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований Омского государственного университета путей сообщения по теме: «Теория количественной оценки вклада систем связи в безопасность технологических процессов на железнодорожном транспорте» г.р.№ 01.20.02 15423.

Вопросами оценки показателей эффективности и оптимизации технического обслуживания систем занимались ученые: Е.Ю. Барзилович,

A.И. Брейдо, В.Г. Воробьев, В.В. Глухов, П.С. Давыдов, Г.Г. Держо, И.Е. Дмитренко, К.А. Иыуду, В.П. Калявин, А.В. Мозгалевский, В.А. Овсянников, Г.С. Пашковский, Н.А. Северцев и другие.

Вопросами контроля и количественной оценки безопасности изделий, систем и технологических процессов занимались ученые: Д.В. Гавзов,

B.Н. Костюков, В.М. Лисенков, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, В.И. Талапаев, Х.А. Христов, В.И. Шаманов, Р.Ш. Ягудин и другие.

Целью диссертационной работы является совершенствование методов количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики, а также повышение эффективности их контроля и технического обслуживания (ТО).

Задачи диссертационных исследований. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1) совершенствование показателей безопасности (ПБ) изделий с учетом параметров систем технического обслуживания и восстановления, ошибок диагностирования, квалификации обслуживающего персонала;

2) разработка математической модели количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики;

3) исследование влияния ошибок диагностирования первого и второго рода на показатели безопасности и временные параметры процесса ТО;

4) разработка методов формирования входных данных для моделирования ПБ изделий;

5) определение количественных значений ПБ изделий связи и автоматики на основании экспериментальных, экспертных и статистических данных о надежности электронных компонентов и разработка рекомендаций по срокам их технического обслуживания с использованием математического моделирования.

Объектом исследований являются изделия связи и автоматики, применяемые в ответственных за безопасность технологических процессов системах управления и контроля.

Методы исследований.

Теоретические исследования выполнены с использованием положений теорий вероятностей, надежности, марковских и полумарковских процессов, а также системного анализа.

Обработка теоретических и экспериментальных результатов исследования выполнена в математических средах Excel и MathCAD с использованием персонального компьютера типа IBM PC.

Научной новизной и значимостью обладают следующие результаты:

1) показатели безопасности изделий: функционалы безопасности и безопасного технического использования;

2) математическая модель расчета предложенных показателей безопасности изделий;

3) методы определения интенсивности опасных отказов: табличный и экспертный.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) применение функционала безопасности позволяет получить более достоверную оценку по сравнению с коэффициентом безопасности, так как он позволяет учитывать условия эксплуатации, технического обслуживания и восстановления, квалификацию обслуживающего персонала, внезапные и постепенные отказы, а также ошибки диагностирования;

2) математическая модель расчета предложенных показателей безопасности изделий отличается возможностями расчета времени и установившейся вероятности пребывания в состояниях (исправном, защитном, опасном, технического обслуживания, восстановления, а также в состояниях скрытого и ложного отказов, обусловленных ошибками аппаратуры диагностирования) при различных законах распределения времени наработки на отказ;

3) методы определения интенсивности опасных отказов: табличный и экспертный, отличающиеся возможностями: применения до внедрения изделий в эксплуатацию; учета внезапных и постепенных воздействий на элементы, а также условия будущей эксплуатации;

4) совместное применение функционалов безопасности и безопасного технического использования позволяет рекомендовать рациональную периодичность технического обслуживания с учетом требуемой безопасности.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена:

1) корректным применением математического аппарата (теорий вероятностей и марковских процессов), расчетами с использованием математической модели при помощи среды программирования MathCAD на ЭВМ, адекватностью реакции модели на изменение ее входных данных;

2) получением частных, ранее известных моделей расчета показателей безопасности при игнорировании (обнулении) дополнительно учитываемых ею входных данных;

3) небольшим значением (до 10 процентов) погрешности определения оптимальной периодичности ТО. Значение погрешности определено 8 путем сравнения данных многолетней эксплуатации изделий с полученными результатами моделирования;

4) значительным (практически до 100 процентов) уточнением показателя, применяемого взамен коэффициента безопасности. Значительное уточнение достигнуто вследствие применения теории полумарковских процессов при определении среднего времени нахождения в безопасных состояниях, учитывающего периодичность ТО, ошибки диагностирования и квалификацию персонала.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель позволяет рассчитывать значения ПБ изделий в произвольный момент времени, по результатам расчета рекомендовать нормы ПБ и периодичность ТО с учетом требуемого уровня безопасности. Использование математических моделей создает предпосылки для формирования компьютерных банков данных.

Сформулированы рекомендации о назначении допустимых значений ПБ и периодичности проверок радиостанций типа РВ-1М.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ, осуществляемых по указаниям Министра путей сообщения России: «Теория количественной оценки вклада систем связи в безопасность технологических процессов на железнодорожном транспорте» (2002 - 2003 гг.). Результаты исследований применяются также в составе АРМ диагно-« стирования приемопередатчиков технологической радиостанции РВ-1М, внедренного на базе Красноярской дорожной дистанции связи (ШЧ-2) Красноярской железной дороги.

Апробация результатов исследования. Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на научно-практической конференции, посвященной 100-летию железнодорожного образования в Сибири, 70-летнему юбилею ОмГУПС (ОмИИТ) «Новые технологии — железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств» 9

Омск, 2000 г.), восьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2002 г.), II международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта России» (Ульяновск, 2002 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, 2002 г.), IV научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2003 г.), научно-техническом семинаре ОмГУПС «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2003 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах.

Личный вклад соискателя заключается в

1) составлении матрицы переходных вероятностей, получении и решении системы уравнений для определения установившихся значений вероятностей и времени пребывания изделий в различных состояниях, составлении выражений искомых функционалов;

2) разработке вопросов подготовки входных данных моделирования предложенных функционалов и новых методов определения интенсивности опасных отказов (табличного и экспертного) с учетом условий эксплуатации изделий, внезапных и постепенных воздействий;

3) доказательстве адекватности модели исследуемым процессам и определении погрешностей моделирования;

4) исследовании практических вопросов моделирования изделий контроля и радиосвязи и формировании рекомендаций по рациональной периодичности их технического обслуживания, а также нормативных значений показателей безопасности.

4.4. Выводы по разделу

1. Исследовано влияние функции FTO(T) на показатели безопасности. Введение в модель функции FTO(T) снижает значения показателей безопасности и подтверждает адекватную реакцию модели. Варьируя значения функции FTO(T) пользователь модели может учитывать квалификацию обслуживающего персонала.

2. Исследовано влияние значений ошибок диагностирования и интенсивности отказов на показатели безопасности, по результатам моделирования сделаны заключения: а) реакция модели на изменение исходных данных адекватна физическому пониманию исследуемых процессов; б) наибольшее влияние на ПБ оказывают значения интенсивности опасных и защитных отказов, а также ошибки диагностирования второго рода встроенной АД; в) уменьшение интенсивности отказов является более приоритетным направлением повышения безопасности изделий по сравнению с совершенствованием АД.

3. В процессе подготовки данных для оценки безопасности камертонного генератора выявлены недостатки технических решений, допущенных при разработке; рекомендованы мероприятия по повышению его безопасности.

4. Выполнены расчеты показателей безопасности камертонного генератора и радиостанции. По результатам расчетов рекомендованы нормативные значения показателей безопасности и рациональная периодичность технического обслуживания.

Заключение

1. В качестве критериев оценки безопасности изделий в работе предложены модифицированные комплексные показатели: функционалы безопасности и безопасного технического использования, отличающиеся возможностью учета влияния параметров систем технического обслуживания и диагностирования, а также квалификации обслуживающего персонала. Первый функционал необходим для нормирования уровня безопасности изделий и определения допустимого времени между ТО — Тдоп- Второй функционал определяет оптимальное значение периодичности технического обслуживания при максимальной безопасности — Топт- Рациональная периодичность ТО обеспечивает заданную безопасность и выбирается из условия Топт ^ Трлц < Тдоп.

2. С использованием теории марковских и полумарковских процессов автором разработана математическая модель оценки безопасности, устанавливающая зависимость предложенных функционалов от основных влияющих факторов: внешних условий эксплуатации и свойств аппаратуры, технического обслуживания, квалификации обслуживающего персонала, ошибок диагностирования первого и второго рода, временных параметров проверки аппаратуры и устранения отказов. Модель позволяет рассчитывать время пребывания изделий в состояниях: исправном, защитном, опасном, технического обслуживания, восстановления, скрытого и ложного отказов.

3. Выполнено доказательство адекватности модели исследуемым процессам и проведен анализ влияния изменения исходных данных на предложенные показатели безопасности (ПБ). Из результатов анализа следует, что наибольшее влияние на ПБ оказывают значения интенсивности опасных и защитных отказов, а также ошибки диагностирования второго рода встроенной аппаратуры диагностирования.

124

4. Предложено применять разработанную модель в качестве обучающей, поэтому выполнен ее перенос в среду программирования Math-CAD 2001. Исходные данные и результаты расчета можно сохранять для формирования баз данных.

5. Рассмотрены вопросы подготовки и определения данных, необходимых для математического моделирования модифицированных комплексных показателей безопасности. Разработаны методы определения интенсивности защитных и опасных отказов с учетом условий эксплуатации, внезапных и постепенных воздействий на элементы изделий. Выполнена классификация данных. Входные данные модели КОБ могут быть заданы в виде постоянных значений, функций распределения или их комбинаций, а также табулированных значений.

6. Выполнено моделирование показателей безопасности изделий автоматики и связи: камертонного генератора ГКШ и технологической радиостанции РВ-1М. По результатам моделирования рекомендованы нормативные значения показателей безопасности и рациональная периодичность технического обслуживания с учетом требуемого уровня безопасности.

7. Научные результаты, полученные в работе, могут быть использованы для нормирования показателей безопасности изделий, определения периодичности их ТО, контроля фактического уровня безопасности и сертификации изделий по показателю безопасности, а также при разработке АРМ диагностирования изделий связи и автоматики.

8. Эффективность применения разработанной математической модели выражается в снижении количества аварий, катастроф на производстве и на транспорте, а также неплановых остановок ОТП из-за отказов изделий.

1. Подготовка кадров в сфере интеграции методов обеспечения безопасности сложных технических систем / JI.H. Александровская и др. // Надежность и контроль качества. 1998. №8. С. 39-42.

2. Лисенков В. М. Статистическая теория безопасности движения поездов. М.: ВИНИТИ РАН, 1999. 332 с.

3. Федеральный закон РФ «О сертификации продукции и услуг» от 10 июля 1993 г. (С изменениями на 10 января 2003 года.)

4. Об одном подходе к анализу проблемы безопасности / В.А. Гру-щанский, А.В. Ильичев, Н.А. Северцев // Надежность и контроль качества. 1998. №12. С. 26-32.

5. Кустов В.Ф. О соотношении показателей безопасности и безотказности в резервируемых объектах // Автоматика, связь, информатика. 1998. №8. С. 17-19.

6. ОСТ 38.18-92. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Выбор и общие правила нормирования показателей безопасности / ПИИТ. СПб, 1992. 16 с.

7. Сертификация и доказательство безопасности систем железнодорожной автоматики / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, В. И. Талалаев и др.; Под ред. Вл. В. Сапожникова. М.: Транспорт, 1997. 288с.

8. Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, X. А. Христов, Д. В. Гавзов; Под ред. Вл. В. Сапожникова. М.: Транспорт, 1995. 272 с.

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

10. Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики. ИРИИТ. Иркутск, 1999. 223 с.

11. Надежность и техническая диагностика судового электрооборудования и автоматики: Учебник / В.П. Калявин, А.В. Мозгалевский, B.J1. Галка. СПб.: ЭЛМОР, 1996. 295 с.

12. Костюков В. Н. Мониторинг безопасности производства М., Машиностроение, 2002.

13. Автоматизированные системы управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств АСУ БЭР КОМПАКС. / В.Н. Костюков С.Н. Бойченко и др. М.: Машиностроение, 1999. 162 с.

14. Ваванов Ю.В. Технологическая железнодорожная радиосвязь. М.: Транспорт, 1985. 184 с.

15. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации / М.: МПС, 2000. 189 с.

16. Брейдо А.П., Овсянников В.А. Организация обслуживания железнодорожных устройств автоматики и связи. М.: Транспорт, 1983. 209 с.

17. Игнатов И.А. Оптимизация обслуживания радиоэлектронных устройств. Киев: Техника, 1969. 130 с.

18. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность/Р. Барлоу, Ф. Прошан; М.: Транспорт, 1984. 328 с.

19. Применение теории марковских цепей для оптимизации обслуживания сложных систем связи на железнодорожном транспорте / Держо Г.Г., Филимонова Т.А.; Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 21 с. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 12.08.81, № 16-52-81.

20. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. М.: Энергоатомиздат, 1986. 480 с.

21. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Термины и определения / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, В, И. Та-лалаев и др. // Автоматика, телемеханика и связь. 1992. №4. С. 30-32.

22. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1998.576 с.

23. Ягудин Р.Ш. Надежность устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. М.: Транспорт, 1989. 159 с.

24. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. М.: Энергия, 1977.-536 с.

25. Лутченко С.С. Оптимизация контроля и технического обслуживания изделий технологической радиосвязи: Автореф. дис. . канд. техн. наук / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2000. 16 с.

26. Герцбах И. Б. Модели профилактики. М.: Советское радио, 1969.216 с.

27. Вопросы проектирования систем диагностирования/ А.В. Моз-галевский, А.Н. Койда. JL: Энергоатомиздат, 1985. 112 с.

28. Королюк B.C., Турбин А.Ф. Полумарковские процессы и их приложения. Наукова думка, 1976.

29. Барзилович Е. Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. М.: Высшая школа, 1982. 231 с.

30. Райншке К., Ушаков И. А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988. 208 с.

31. Коваленко И. Н. Вероятностный расчет и оптимизация. Киев: Наукова думка, 1989. 192 с.

32. Коваленко И. Н., Наконечный А. Н. Приближенный расчет и оптимизация надежности. Киев: Наукова думка, 1989. 184 с.

33. Гнеденко Б. В., Коваленко И. Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1987.336 с.

34. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2-х т. Т. 1; Пер с англ. М.: Мир, 1984. 528 с.

35. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2-х т. Т. 2; Пер с англ. М.: Мир, 1984. 752 с.

36. Баруча-Рид А. Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения: Пер. с англ. М.: Наука, 1969. 512 с.

37. Надежность технических систем: Справочник / Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин и др.; Под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

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

39. Розанов Ю. А. Теория вероятностей, случайные процессы и математическая статистика. М.: Наука, 1985. 320 с.

40. Тутубалин В. Н. Теория вероятностей и случайных процессов. М.: МГУ, 1992. 400 с.

41. Андреев В. Н., Иоффе А. Я. Эти замечательные цепи. М.: Знание, 1987. 176 с.

42. Безопасность и отказоустойчивость микропроцессорных систем сигнализации / К. Акита, X. Накамура // Железные дороги мира. 1991. №6. С. 29-34.

43. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов/ Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. М.: Наука.Физматлит, 1998. 608 с.

44. Очков В. Ф. Mathcad PLUS 6.0 для студентов и инженеров. М.: КомпьютерПресс, 1996. 238 с.

45. Дьяконов В. Mathcad 2001: специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. 831 с.

46. Литвинов Л.Н. Оценка надежности железнодорожных устройств // Трасп. стр-во. 1999. №3. С. 10-13.

47. Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М.: Советское радио, 1966. 168 с.

48. Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. М.: Советское радио, 1976.336 с.

49. Сборник задач по теории надежности: Учебник / А. М. Половко, И. М. Маликов, А. Н. Жигарев и др.; Под ред. А. М. Половко. М.: Советское радио, 1972. 408 с.

50. Пашковский Г.С. Задачи оптимального обнаружения и поиска отказов в РЭА / Под ред. И. А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1981. - 280 с.

51. Инструкция по организации системы технического обслуживания устройств проводной связи на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1990. 72 с.

52. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 303 с.

53. Казаков А. А., Казаков Е. А. Автоблокировка, локомотивная сигнализация и автостопы. М.: Транспорт, 1980. 360 с.

54. Испытания системы управления движением поездов на базе радиосвязи // Железные дороги мира. 2000. №4. С.48-50.

55. Шариков В.А., Эбель И.И. Частотный диспетчерский контроль. М.: Транспорт, 1969. 180 с.

56. Система частотного диспетчерского контроля. Технология обслуживания, ремонта и регулировки. М.: Транспорт, 1992. 80 с.

57. Радиостанция Р22/ЗВ-1 «РВ-1М». Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИЖ1.101.043 ТО (книга 1).

58. Приемопередатчик УПП-1М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИЖ2.000.104 ТО.

59. Типовые нормы времени на техническое обслуживание радиостанции РВ-1М // Департамент информатизации и связи МПС РФ. М., Трансиздат. 2000. 24 с.

60. Филенков В.В. Двойной критерий оценки безопасности систем связи // Безопасность движения поездов: Тр. науч.-практ. конф. / Моск. гос. ун-т путей сообщения (МИИТ). М., 2003. С. И-24,11-25.

61. Красковский А.Е. Экономические механизмы управления безопасностью движения // Железнодорожный транспорт. 2002. №5. С.29-33.

62. Методические рекомендации по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1991. 229 с.

63. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиций проектов. М.: Экономика, 2000. 422 с.

64. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1997. 52 с.