автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление надежностью устройств железнодорожной автоматики и телемеханики на всех этапах их жизненного цикла

ХРОМУШКИН Константин Дмитриевич

УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ НА ВСЕХ ЭТАПАХ ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НЮ/1 2011

Серпухов-2011

4851824

Работа выполнена в Межрегиональном общественном «Институт инженерной физики» (ИИФ РФ)

учреждении

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор БЕЗРОДНЫЙ Борис Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КОТОВ Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор ЮРКОВ Николай Кондратьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

высшего

Защита состоится «14» сентября 2011 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 520.033.01 в Межрегиональном научном и образовательном учреждении «Институт инженерной физики» (ИИФ РФ) по адресу: 142210, г. Серпухов, Б. Ударный пер., зд. 1 а.

Отзывы на автореферат в 2-х экз. просьба направлять по адресу: 142210, г. Серпухов, Б. Ударный пер., зд. 1 а, Межрегиональное научное и образовательное учреждение «Институт инженерной физики» (ИИФ РФ), ученому секретарю диссертационного совета Д 520.033.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Межрегионального научного и образовательного учреждения «Институт инженерной физики» по адресу: г. Серпухов, Б. Ударный пер., зд.1аи сайте http://www.iifrf.ru.

Автореферат разослан « » июля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность теми диссертации. Безотказная работа устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) является основой для обеспечения заданного уровня пропускной и провозной способности железных дорог. Оценка качества работы хозяйства автоматики и телемеханики напрямую зависит от количества отказов устройств ЖАТ и определяется динамикой числа отказов. Поэтому особую актуальность приобретает разработка научно обоснованного подхода к управлению надежностью, охватывающего полный жизненный цикл (ЖЦ) радиоэлектронных устройств (РЭУ) ЖАТ. Реализация такого подхода позволит в короткие сроки существенно снизить число отказов устройств ЖАТ за счет увеличения их реальной наработки на отказ, доведя качество технологии их изготовления до современного уровня и, в конечном итоге, обеспечить конкурентоспособность создаваемой и выпускаемой в интересах ОАО «РЖД» аппаратуры ЖАТ.

Известны эффективные методы повышения надежности РЭУ на этапе их разработки и проектирования, изложенные в работах Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В., Шаманова В.И., Шишлякова A.B., Кравцова Ю.А., Михайлова А.Ф., Шавыкина И.А., Петрухина Б.Н., Жидомирова Е.М., Безродного Б.Ф., Северцева H.A., Андреева А.Н., Блинова A.B., Юркова Н.К., Половко A.M., Б.М.Ведерникова, Нечипоренко В.И.

Широкое применение нашли подходы к обеспечению надежности образцов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при ее производстве, разработанные Глудки-ным О.П., Гуровым А.И., Коробовым А.И., Гуткиным J1.C., Усмановым В.В., Пушкаре-вым Т.М., Кудрявцевым О.И., Безродным Б.Ф. Созданию методов повышения надежности РЭУ ЖАТ посвящены работы Шубинского И.Б., Горелика A.B., Кайнова В.М., Новикова В.Н., Розенберга E.H., Лисенкова В.М., Шалягина Д.В., Неварова П.А., Орлова A.B., Ягудина Р.Ш. Однако, реализация отмеченных методов в полном объеме в рамках ЖЦ устройств ЖАТ не представляется возможной в силу финансовых ограничений, имеющих место на фоне значительного старения эксплуатируемых на железнодорожных линиях РФ технических средств ЖАТ. В связи с этим требуется гибкий механизм обеспечения высокой надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ с учетом результатов анализа причин отказов на эксплуатации. Следует заключить, что научное исследование, направленное на разработку научно-методического обеспечения управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их ЖЦ, следует признать актуальным.

Сложившаяся проблемная ситуация обусловлена противоречием между возрастающими требованиями к надежности устройств ЖАТ и невозможностью их выполнения на основе традиционных методов оценки и управления надежностью в условиях интенсивного износа находящихся в эксплуатации РЭУ ЖАТ.

С учетом изложенного целью диссертационного исследования является повышение эффективности управления процессом обеспечения надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ на основе разработки комплекса процедур и методик, составляющего методическую основу оценки и управления надежностью с учетом результатов анализа причин отказов, а также реальных условий производства и эксплуатации.

Исходя из сформулированных противоречия и цели исследования решаемая научная задача может быть определена как задача разработки методического обеспечения управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ.

С учетом декомпозиции научной задачи необходимо провести исследование по следующим направлениям:

1) разработка процедуры управления надежностью РЭУ ЖАТ, охватывающую все этапы их ЖЦ;

2) разработка методики расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, дополнительно учитывающей конструктивные варианты их исполнения, особенности технологического процесса (ТП) производства, а также уровень технологического оснащения (ТОс) и системы менеджмента качества (СМК) предприятия, серийно их изготавливающего;

3) разработка методики прогнозирования показателей надежности РЭУ ЖАТ на основе статистических данных, поступающих с эксплуатации.

Объектом исследования в диссертации является система обеспечения надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ, а предметом - методы расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ при их разработке и проектировании, а также оценки и прогнозирования по статистическим данным из эксплуатации.

Основные результаты исследования, выносимыеназащиту:

1. Процедура управления надежностью РЭУ ЖАТ, охватывающая все этапы ЖЦ.

2. Методика расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, учитывающая конструктивные варианты их исполнения, особенности ТП производства, а также уровень ТОс и СМК серийно изготавливающего их предприятия.

3. Методика прогнозирования показателей надежности РЭУ ЖАТ на основе статистических данных, поступающих с эксплуатации.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, основывается на том, что анализ состояния и путей решения поставленной научной задачи проведен с учетом ее актуальности и потребности, обусловленных необходимостью решения важной проблемы, состоящей в повышении надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ. При формировании единого научно-методического подхода, составляющего основу решаемой задачи, были использованы методологические принципы, разработанные в трудах известных ученых в области надежности и качества, статистического оценивания и прогнозирования.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы состоит в том, что в ней получены новые научные результаты:

1. Обоснована процедура управления надежностью РЭУ ЖАТ, которая позволяет не только получить расчетные и фактические (эксплуатационные) значения показателей их надежности, но и выявлять причины несоответствия уровня надёжности этих устройств заданным требованиям (нормативные значения), а также планировать мероприятия, которые с эксплуатационной и экономической точек зрения обеспечат необходимый уровень надежности РЭУ ЖАТ.

2. Разработана методика расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, которая в отличие от известных методик, учитывающих условия эксплуатации, позволяет повысить точность расчета путем учета через поправочные коэффициенты к интенсивности потока отказов (ИПО) особенности ТП производства и конструктивного исполнения РЭУ ЖАТ, а также уровень ТОс и СМК серийно изготавливающего их предприятия.

3. Разработана методика оценки достигнутых значений показателей надежности РЭУ ЖАТ, которая, в отличие от известных методик, направленных на построение рет-

роспективных оценок значений, изначально заложенных при производстве РЭУ ЖАТ, позволяет по статистическим данным из эксплуатации прогнозировать предстоящие значения нестационарного коэффициента их готовности.

Практическая значимость диссертационной работы обусловлена тем, что разработанные в ходе проведения исследований процедура и методики являются научно-методической основой для реализации АСУ надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах ЖЦ в рамках внедряемой в ОАО «РЖД» методологии УРРАН (управление ресурсами, рисками на основе анализа надежности). Результаты работы нашли применение при проведении практических работ по расчету значений показателей надежности выпускаемых и эксплуатируемых РЭУ ЖАТ, а также доведены до алгоритмов и программных комплексов АРОПН-1 и АРОПН-2, которые реализуют предложенную методику прогнозирования значений показателей надежности РЭУ ЖАТ по статистическим данным из эксплуатации и позволяют осуществлять в режиме реального времени мониторинг значений основных показателей надежности, например, нестационарного коэффициента готовности, и научно обосновывать продление сроков полезного использования конкретных РЭУ ЖАТ.

Апробация и публикации по теме работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на на Международной научно-технических конференциях «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010 г.), наНТС кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ и ПКТБ ЦШ — ОАО «РЖД» (г. Москва).

По теме диссертации имеются 13 публикаций, из которых 5 публикаций в изданиях, входящих в перечень ВАК («Автоматика, связь, информатика» [1, 2, 5]; «Известия Института инженерной физики» [3, 4]). В сборнике научных трудов «Совершенствование систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи» кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ [8, 9, 11, 12]; в депонированной в ВИНИТИ статье от МИИТа [7]; в сборнике научных трудов Международной научно-технической конференции «Надежность и качество» (2010 г.) [6], др. - 2.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационного исследования реализованы 1) в департаменте автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» (г. Москва) при технико-экономическом обосновании и разработке инвестиционного проекта «Обновления технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) на 2011 - 2013 г.г.», 2) в ПКТБ ЦШ - ОАО «РЖД» (г. Москва) при технико-экономическом обосновании и разработке стандарта ОАО «РЖД» «Управление ресурсами на этапах ЖЦ, рисками и анализом надежности. Системы, устройства и оборудование хозяйства автоматики и телемеханики. Технические требования».

Основное содержание диссертации

Диссертация имеет объем 140 страниц (19 рисунков, 82 таблицы) и состоит из списка сокращений, введения, трех разделов, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении дается анализ состояния предметной области исследований, обосновывается актуальность темы, формулируется противоречие, определяется цель исследований и научная задача. Здесь же сформулированы основные научные результаты, приводятся данные, подтверждающие их новизну, достоверность и практическую значимость, а также сведения об их реализации, алробашш и публикациях.

В первом разделе показано, что ЖЦ РЭУ ЖАТ (рисунок 1) состоит из четырех этапов: 1) разработка и проектирование; 2) изготовление; 3) испытания и эксплуатация; 4) утилизация. Надежность РЭУ ЖАТ закладывается на первом этапе, обеспечивается на втором, а проявляется на третьем. В рамках каждого из них закладываются как качество

и надежность, так и возможные дефекты и ошибки. Наиболее важным условием разработки эффективных мер повышения надежности РЭУ является оперативная обратная связь с этапа испытаний и эксплуатации на этапы разработки и изготовления, которая основана на фи-знко-техиическом анализе и подтверждении причин отказов. Однако, она не имеет количественных значений показателей надежности отказавших устройств, что не позволяет реально оценить ее эффективность и оперативно использовать при разработке мероприятий по снижению числа отказов.

Так как ЖЦ любой РЭА представляет собой кортеж взаимосвязанных последовательно процессов, то необходимо осуществить взаимосвязь этих процессов таким образом, чтобы обеспечить преемственность с учетом имеющихся опыта и навыков персонала, максимально сохранить достигнутый уровень надежности и качества, а также устранить дефекты и ошибки, вкравшиеся на предыдущих этапах.

Поскольку каждый этап ЖЦ РЭУ ЖАТ с точки зрения СМК представляет собой процесс, то для управления им необходимы количественные критерии оценки надежности. Именно на основе их могут быть сформированы предупреждающие и корректирующие мероприятия по повышению надежности РЭУ ЖАТ на каждом этапе их ЖЦ (обратные связи).

В качестве такого количественного измерителя предложено выбрать наработку на отказ, которая характеризует надежность технических средств и косвенно - качество производства и технического обслуживания. Если техническое обслуживание проведено в рамках нормативных инструкций, то фактически наработка на отказ характеризует надежность аппаратуры. Такой подход основан на определении значения наработки на отказ на каждом этапе ЖЦ РЭУ ЖАТ, что позволит количественно нормировать возможное количество его отказов, которые допустимы с учётом конкретных условий эксплуатации.

Обосновано, что при разработке методического обеспечения управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ целесообразно руководствоваться:

Г Этапы ямжвмюго цикла аппаратуры ЖАТ

Вкофекие надежной элементной базы

Разработка и проектирование

жи

ч ¿«а* *

—ц.

' Анвлю и корректором |; схемотехнически«

решений \ '

У.....'" 1 '——1 —V

/ Спскиыьние исследования V Л К ШСИШЯНШ ПКИ

Испытания и эксплуатация

у ' (зчудоч !

с

|> .

Утилизация

5

Рисунок 1 - Схема жизненного цикла аппаратуры ЖАТ

1) принципом систематического учета надежности РЭУ ЖАТ относительно их проектной нормы при проведении предупреждающих и корректирующих действий по повышению качества их функционирования;

2) принципом выделения из воздействующих дестабилизирующих факторов информационной составляющей и анализа ее влияния на надежность;

3) принципом согласованности расчетов надежности с ЖЦ РЭУ ЖАТ;

4) принципом пополнения статистических данных результатами имитационного моделирования.

Для решения поставленной научной задачи в следует разработать процедуру управления надежностью РЭУ ЖАТ, охватывающую все этапы их ЖЦ. Эта процедура должна позволять определять на основе реальных значений показателей надежности наиболее слабые в смысле надежности этапы с целью выработки корректирующих, а в идеале и предупреждающих действий, направленных на разработку и реализацию мероприятий по повышению надежности РЭУ ЖАТ.

Показано, что в соответствии с изложенными выше принципами управления надежностью с целью повышения точности расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ необходимо учитывать конструктивные варианты их исполнения, особенности ТП производства, а также уровень ТОс и СМК серийно изготавливающего их предприятия.

Проведенный в работе анализ показал, что все известные методики направлены на построение оценок показателей надежности, изначально заложенных при производстве РЭУ ЖАТ. С учетом его результатов, а также с учетом проблемы увеличения назначенного срока полезного использования РЭУ ЖАТ, наиболее актуальным представляется прогнозирование динамики предстоящего изменения значений показателей надежности в будущем. Обоснована необходимость разработки методики прогнозирования по статистическим данным, поступающим с эксплуатации значений показателей надежности РЭУ ЖАТ, и, в первую очередь, коэффициента их готовности, как наиболее информативного показателя.

В конце первого раздела сформулированы задачи исследований и определены пути и методы их решения.

Второй раздел посвящен созданию комплекса моделей и методик как научно-методической основы управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ с учетом результатов анализа причин отказов, а также реальных условий их производства и эксплуатации. Показано, что для реализации такого подхода на начальной стадии разработки и проектирования РЭУ ЖАТ необходимо определить нормативное значение наработки на отказ, которое задается в техническом задании на разработку или в технических условиях на проектирование устройств и систем ЖАТ, т.е. нормированное значение интенсивности потока отказов Л^пс. Этот показатель зависит от многих факторов: требуемого значения пропускной и провозной способности участка или станции, характеристик процесса технического обслуживания, качества эксплуатации аппаратуры, соответствия технических требований, предъявляемых к фактическим параметрам аппаратуры и ряда других показателей.

На конечной стадии этапа разработки и проектирования технических средств ЖАТ определяется расчетные значения наработки на отказ разрабатываемого устройства или проектируемой системы ЖАТ, т.е. значение расчётной интенсивности потока отказов . При этом анализируемый объект необходимо представить в виде структурной схемы надежности, состоящей из подсистем. Каждая подсистема при этом преда каждое устройство, в свою очередь, — в виде структурной схемы надежности элементов с учетом имеющегося резервирования и функциональной взаимозаменяемости и взаимозависимости подсистем и РЭУ ЖАТ (рисунок 2).

При расчете наработки на отказ различных вариантов исполнения РЭУ ЖАТ, например, по климатическим поясам и т. п., используются поправочные коэффициенты. На этапе изготовления наработка на отказ из-за замены ком-гшектугощих и используемых при производстве материалов на аналогичные или модернизированные, как правило, уточняется, что определяет необходимость внесения изменений в ТУ по согласованию с разработчиками устройств и систем ЖАТ. Фактическая интенсивность потока отказов Л^ устройств и систем ЖАТ определяется путем статистического оценивания на этапе испытаний и эксплуатации по поступающим статистическим данным.

Таким образом, в зависимости от того, какие получены нормативное, расчетное и фактическое значения наработки на отказ исследуемых устройства или системы ЖАТ, можно сформулировать основные принципы управления их надёжностью на этапах ЖЦ (рисунок 2):

- ( > ) если расчетное значение наработки на отказ оказывается меньше нормативного, то осуществляется обратная связь на этап разработки и проектирования для корректировки схем и конструкций устройств или проектов систем ЖАТ с целью повышения их расчетной надежности;

- ) если фактическое значение наработки на отказ оказывается меньше расчетного, то осуществляется обратная связь на этап изготовления для повышения качества технологии и используемых при производстве комплектующих и материалов с целью обеспечения расчетного уровня надежности;

ставляется в виде структурной схемы надежности устройств,

ЧЖ]—гНЖ}

сш-шз-

—ГщТ

-ШИ

ЧЖЬ-

-ГгмТ

чшн

Обслуживающий прибор

У6 У7

У2 г у: • УЗ •

. У4 У8

I ¡—ежь

рОО 1 ОЕГ.Н1

Рисунок 2 - Пример составления структурной схемы надежности

- если расчетное значение наработки на отказ оказывается больше нормативного, то возможна обратная связь на этап разработки и проектирования для корректировки схем и конструкций устройств или проектов систем ЖАТ с целью упрощения и снижения стоимости их ЖЦ;

- (Я^п[<ДР1К)если фактическое значение наработки на отказ оказывается больше расчетного, то возможна обратная связь на этап изготовления для упрощения технологии и уменьшения стоимости используемых при производстве комплектующих и материалов с целью снижения стоимости их ЖЦ.

Показано, что данная процедура позволяет не только получить расчетные и фактические (эксплуатационные) значения наработки на отказ систем и РЭУ ЖАТ, но и выявлять и устранять причины несоответствия уровня их надёжности заданным требованиям (нормативные значения), а также спланировать те мероприятия, которые с эксплуатационной и экономической точек зрения обеспечат необходимый уровень надёжности, как отдельных устройств, так и систем ЖАТ в целом. Таким образом, изложенный основанный на данной процедуре подход позволит управлять надежностью систем и РЭУ ЖАТ.

Установлено, что применение известных методик расчета показателей надежности РЭУ, основанных на таком подходе, без доработки приводит к значительной погрешности в рассчитанных значениях показателей надежности РЭУ ЖАТ, так как они, обладая универсальностью, не учитывают реальные условия эксплуатации и хранения РЭУ ЖАТ, а также особенности их конструкции, производства и системного окружения при функционировании в реальных условиях.

Показано, что существующие методики расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ не учитывают особенности ТП их производства, а также уровень ТОс и СМК предприятия, серийно изготавливающего устройства ЖАТ, что приводит к значительной погрешности вычисления Л^. Поэтому предложена следующая методика расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, дополнительно к известным учитывающая вышеуказанные факторы. В период эксплуатации на надежность РЭУ ЖАТ оказывают воздействие различные факторы (рисунок 3).

В связи с этим интенсивность отказов даже однотипных элементов оказывается различной. В этом случае при оценке интенсивности отказов для периода нормальной работы аппаратуры Л вводится поправочный коэффициент у, = X¡|Лi о, где Д/ — интенсивность отказов элементов 1-го типа при реальных режимах его работы; Л^ 0 - интенсивность отказов того же элемента при номинальных условиях. Коэффициент зависти от условий работы элементов. В связи с этим при расчете интенсивности потока отказов использован коэффициентный метод, в основу которого положены следующие допущения:

1) время возникновения отказов является простейшим потоком случайных событий, удовлетворяющих условиям стационарности, отсутствия последействия, ординарности;

2) интенсивности отказов всех элементов системы изменяются в зависимости от условий эксплуатации в одинаковой степени.

В данной работе на основе коэффициентного метода предлагается методика расчета с учетом реальных условий и режимов эксплуатации РЭУ ЖАТ следующих показателей надежности (ПН): вероятность безотказной работы за заданное время P(t), интенсивность отказов А, средняя наработка до отказа (наработка на отказ) Т.

Внутренние

факторы

Старение 1 Износ

_| воздуха радиация процессы _

I

ф SJ Я

& 5 1 § I

ft

li

I

о ее

£1

Рисунок 3 - Условная классификация объективных факторов

Расчет ПН РЭУ ЖАТ производится методом «¿-характеристик» при следующих допущениях: 1) каждый элемент, узел, блок, устройство в целом находится в одном из двух состояний - работоспособном или состоянии отказа; 2) отказы элементов - события, как правило, независимые и случайные, а одновременно два и более элементов отказать не могут; 3) интенсивность отказов комплектующих изделий в течение срока их службы в одних и тех же условиях и рабочих режимах является постоянной;

4) отключенное состояние комплектующих изделий приравнивается к режиму хранения;

5) отказы комплектующих изделий бывают двух видов: обрыв (О) и короткое замыкание (КЗ); 6) вероятность безотказной работы связана с интенсивностью отказов следующим соотношением:

Р(/) = ехр(- Ж). (1)

Расчет показателей надежности РЭУ ЖАТ, состоящих из узлов, блоков, приборов проводится сначала для каждого узла, блока, прибора, а затем для всего устройства в целом. Варианты «горячего резервирования» не рассматриваются. При этом, в отличие от известных методик расчета надежности РЭУ ЖАТ, с целью учета реальных условий хранения и режимов их эксплуатации, предлагается использовать для получения реальных значений интенсивностей отказов элементов и конструкций поправочные коэффициенты.

Вероятность безотказной работы устройства ЖАТ, имеющего в своем составе п блоков, определяется следующим выражением:

Я(/)=ПР,(г), (2)

1=1

где Р,(1) ~ вероятность безотказной работы /-го блока, п - число блоков в устройстве. При этом ВБР I -го блока (узла, прибора) устройства ЖАТ:

Р/(/)=ехр(-Л0, (3)

где Л, - интенсивность отказов /'-го блока (узла, прибора), а интенсивность отказов /-го блока (узла, прибора), состоящего из к1 комплектующих электрорадиои.зделий (ЭРИ) равна сумме */

(4)

где Хц - значение эксплуатационной интенсивности отказов комплектующего ЭРИ. Эксплуатационная интенсивность отказов групп ЭРИ в составе РЭУ ЖАТ:

где Ду — исходная (базовая) интенсивность отказов типа (группы) ЭРИ, приведенная к условиям: номинальная электрическая нагрузка при температуре окружающей среды 'окр= 25°С или электрическая нагрузка, равная 0,4 от номинальной при температуре окружающей среды г0Кр = 30°С; К? - коэффициент режима, учитывающий изменение А-в зависимости от электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды; К

- коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов/}; ту - число учитываемых факторов.

Для сложных устройств, суммарный поток отказов которых складывается из п независимых потоков отказов составных частей (блоков):

с6)

/=1 у=1 /=1

Коэффициенты, входящие в математические модели расчета интенсивности отказов ЭРИ, условно можно разделить на две группы: 1) коэффициенты общие для моделей большинства классов изделий (характеризуют режимы и условия их эксплуатации, уровень качества производства ЭРИ и РЭА); 2) коэффициенты включаются в модели конкретных классов ЭРИ (характеризуют зависимость интенсивности их отказов в заданных условиях эксплуатации от конструкционных, функциональных и технологических особенностей ЭРИ).

Коэффициент режима К? служит для пересчета исходной интенсивности отказов к фактическим режимам применения ЭРИ в аппаратуре. Дополнительно к известным поправочным коэффициентам для повышения точности расчета показателей используются коэффициенты АГЛ (таблица 1).

Коэффициент приемки К„р отражает два уровня качества изготовления изделий: общего военного применения (ОВП) - приемка «5» и повышенной надежности (ОС) -приемка «9» (в эту же группу входят изделия повышенной надежности, выпускаемые

малыми партиями (ОСМ) - приемка «95»), Для изделий с приемкой «5» значение КГ1 принято равным 1.

Таблица 1 - Коэффициенты Кл и учитываемые ими факторы

Условные обозначения Учитываемые факторы

Кр (К„) — коэффициент режима Кпр - коэффициент приемки К, - коэффициент эксплуатации Ка - коэффициент качества разработки и изготовления аппаратуры Кш - коэффициент ионизирующих излучений Величина электрической нагрузки и (или) температура окружающей среды (корпуса изделия) Степень жесткости требований к контролю качества и правила приемки изделий Степень жесткости условий эксплуатации Уровень требований к разработке и изготовлению аппаратуры (отработанность техпроцесса и уровень организации производства аппаратуры) Степень жестко ста внешних ионизирующих излучений

Коэффициент эксплуатации К, учитывает степень жесткости условий эксплуатации и показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭРИ в аппаратуре конкретного класса (группы эксплуатации по ОСТ 32.146-2000) выше при всех прочих равных условиях, чем в наземной стационарной аппаратуре (группа MCI). Для группы MCI значение коэффициента эксплуатации принято равным 1.

Коэффициент качества производства аппаратуры Ка учитывает среднестатистическую разницу в интенсивности отказов ЭРИ в аппаратуре, разрабатываемой и изготовляемой по требованиям различных НТД. Так при соответствии стандарту по ОСТ 32.146-2000 данный коэффициент принимается равным 0,2; а для стандартов комплекса «Мороз» -1,0.

Коэффициент ионизирующих излучений Кт (К^ 1) учитывает влияние воздействующих ионизирующих излучений естественного и искусственного происхождения на надежность ЭРИ. При отсутствии статистических данных об указанном воздействии следует принимать его равным единице.

В соответствии с требованиями обеспечения надежности (ОСТ 32.146-2000, ГОСТ Р В 20.39.302-98) при проектировании на разных этапах разработки производится приближенный или уточненный расчет надежности аппаратуры.

При проведении приближенной оценки надежности аппаратуры рекомендуется использовать усредненные значения эксплуатационной интенсивности отказов основных групп изделий, а при проведении уточненного расчета надежности РЭУ ЖАТ оценка эксплуатационной интенсивности ЭРИ, входящих в состав аппаратуры, производится по соответствующим моделям с учетом всех коэффициентов.

При проведении расчетов надежности аппаратуры, конструктивные особенности и условия применения которой обеспечивают менее жесткие условия эксплуатации по сравнению с аппаратурой соответствующей группы, допускается по согласованию с заказчиком на основании имеющихся данных (результатов испытаний, данных о надежности аналогов и т. п.) выбрать значение К„ соответствующее данной аппаратуре.

Показано, что с точки зрения оценки достигнутых (фактических) значений показателей надежности процесс эксплуатации устройства ЖАТ состоит из чередующихся интервалов времени безотказной работы и интервалов времени восстановления работоспособности (неработоспособности). Длительности этих интервалов определяются мно-

и

гими, в том числе и слабо формализуемыми, факторами; не могут быть предсказаны заранее и поэтому считаются случайными величинами. Процедура получения исходной информации сводится к представлению процесса эксплуатации устройства ЖАТ в виде последовательности пар временных отрезков (X/, £>;), /' = 1,2, ..., где XI - продолжительность безотказного функционирования устройства после (;' - 1)-го ремонта (восстановления); - продолжительность ¡-то ремонта (восстановления) устройства; X/, Q¡ - случайные величины. Другими словами, для величин X/ и (2( справедливы соотно-

шения X, = 1°тк - 1в°1ст, б, = Ссст - 'Г*. где /Г" - момент времени, в который

произошел <-й отказ, приведший к неработоспособности устройства, ¡¡осст - момент времени начала работы устройства после (*' - 1)-го ремонта (восстановления).

Таким образом, исходной информацией для оценки значений выбранных ПН устройства ЖАТ согласно предлагаемому подходу необходимо иметь данные о процессе функционирования устройства за определенный промежуток времени в виде временных наборов^ ,Х2, ...,ХП и б, ...,е„.

Для оценки Т0 и Тв используются известные соотношения

приемлемость которых обусловлена различными вариантами центральной предельной теоремы.

Однако использовать для оценки коэффициента готовности Кг устройства ЖАТ известную для стационарного режима функционирования РЭУ формулу

не представляется возможным, так как на практике стационарного режима работы, как правило не бывает, так как любые ремонтные работы изменяют характеристики устройства (замена старого отказавшего элемента более современным, как правило, повышает надежность в то время как некачественный ремонт понижает надежность и т. п.).

Нестационарность режима функционирования устройства ЖАТ означает изменение вероятностных характеристик пар (Х„ 0/) с ростом /'. Это изменение означает изменение во времени статистических закономерностей, которым подчиняются пары величин (Х^ (),), которое, в свою очередь, означает, что случайные факторы, определяющие их значения, могут изменяться во времени. Для описания возможных механизмов изменения нестационарного коэффициента готовности во времени (то есть с ростом 0 разработаны математические модели «роста» (изменения) надежности.

Экспоненциальная модель. В модели величины отражают снижение надежности из-за некачественного ремонта устройств ЖАТ, в то время как величины т]] характеризуют повышение надежности за счет устранения дефектов, приведших к отказу. Математическая модель определяется рекуррентным соотношением

и

(7)

(9)

л «.V ЬП-(1-в-бУ Врезультате р,- и \\-a-by р0 +-1—*-'—х~, у>1.

' л А

а+Ь

Параметры модели: а = 1- ЕвьЪ = Ещ. При 6>у = 1 асимптотическая (при больших j) у • 100% - доверительная полоса для рj имеет вид

l_0_/'o)exp|a:y +<T-\/7'u(i+r)/2Pj sl-(l-Po)exp{ay-o-V7-«(i+r)/2} (Ш

где or = £[log(l - p,)-Iog(l- />,_,)], а2 з D[\og{\- Pj)-log(l-/>,_,)] .

Pi

Логистическая модель. Обозначим а, = —-—, />1 (12)

1 -Pj

Модель изменения нестационарного коэффициента готовности: <7/+1 = JZ0, (13)

называется логистической. Эта модель означает, что каждый ремонт устройства ЖАТ изменяет ожидаемое время его безотказной работы после модификации в случайное число раз в у Обозначим £Iog6>y = d и предположим, что 0 < D log 0j = с2 < оо. Тогда

,0ехрИ 1 1+ qQexp\jd)

Асимптотическая (при больших/) 7-100%-доверительная полоса для имеет вид g0exp\jd-c4ju{Ur)l2) ^ 9о expjyt/ + c4Ju(\+/)/2) ^ l + q0 exp\jd - cV7"(i+r)/21 1 1 + q0 exp{/rf + cV7"(i+/)/2 }

Параметры модели:

d = £'[logpy + log(l - Iog(l - pj)- (ogp^J , (16)

e2 = £>[logpj+ log(l-py_!)-Iog(l-P;)-Jog] . (17)

«Доверительные» границы для Pj, устанавливаемые этим соотношением, имеют вид логистических кривых. При том, если b > 0, то есть, ремонты в среднем увеличивают надежность, то предельная при / —> оо коэффициент готовности в пределе равен 1, а если Ь > 0, то он стремится к нулю.

Гиперболическая модель. Если каждый ремонт устройства ЖАТ изменяет ожидаемое среднее время наработки на отказ на случайное время, то есть

EXJ+1=EXJ+<;J+1, j> 1, (15)

где С\, Сг, - независимые одинаково распределенные случайные величины. Такая модель изменения надежности называется гиперболической. Для любого заданного у б (0,l) при достаточно больших /для гиперболической модели справедливо:

рг-^Н- <16>

1 ja-p+b

В случае постоянного ожидаемого времени восстановления Ь - EQj = const асимптотическая (при больших j) у ■ 100%-доверительная полоса для р, имеет вид

ja-cr4ju(r+l)i2-M ^ ^ ja+o-Hu(r+l)/2-P

Параметры модели: // = ЕХх, а = е(х■ - X ) , ст2 = d(x j - X ) , Äs EQj. «Доверительные» границы для pj, устанавливаемые этим соотношением, имеют вид гиперболических кривых. Если bj =b = const и а > 0 (ремонты в среднем увеличивают ожидаемое время безотказной работы), то предельное, при j -> оо, значение коэффициента готовности равно 1, а если а < 0, то оно убывает.

Рассмотрим последовательно процедуры статистического оценивания параметров каждой из рассмотренных выше моделей на основании выборокХ\ , Х2,..., Х„ длительностей периодов безотказной работы между последовательными отказами и Qt , ßj, ..., Q„ продолжителыюсгей ремонта (восстановления).

Оценивание параметров экспоненциальной модели. По выборкам Хх,Х2,..., Х„ и Q\, Qi,..., Q„ строится выборку пг, ..., ж„ оценок мгновенных ко-

X,

эффициентов готовности по правилу ж j =--—, j = 1,..., п.

Xj+Qj

Оценки параметров а и Ъ определяются по методу наименьших квадратов, исходя «-1 , из условия У] Pj+1 - 0 - а - b)xj - bj2 min. Эти оценки имеют вид: ;=I а-ь

где fil =

J f л-1 и-1 _ j и-1 |-J И-1

a=,-Ti Z'y+i-niS'y +ni- ^TTÎZ^I-TITZ^' п 'Ы У-' J >=> v-l

(18)

В качестве оценок параметров аист2 следует взять

а =1£[1оЕ(1-Яг,)-1оё(1-^_1)], ст2 = -Ц ¿М -1о8(1 -(19)

пМ п

Оценивание параметров логистической модели. Оценки (1 и с1 определим как:

^ = — X Е1оВ + ^ёС1 ~ )- ^ёО - )-1°£ ]- (20,а)

ПМ

2 = — ¿[logXj + log(l-ян)-log(l-TTj)- logZj_x -df . (20,6)

с

-V.

Оценивание параметров гиперболической модели. Оценки д я, а" и 6 возьмем:

п ¡=\ " 1 У=1 "у=|

Выбор наиболее адекватной модели. Пусть р^ оценка коэффициента готовно-

сти р, построенная в соответствии с экспоненциальной моделью по выборкам Хх, Х2,

..., Xj.¡ и £)) , Ог, ■■■, £?/-1, ] = 2, ..., п и р^ - оценки коэффициента готовности р,-,

построенные соответственно на основании логистической и гиперболической моделей по тем же выборкам. Обозначим

А*® = А<*>

;=1 ;=2 у=2

Для прогнозирования коэффициента готовности рп+ ( следует взять ту модель, которой соответствует наименьшее из чисел Л^. Для наилучшей модели следует построить доверительную полосу для нестационарного коэффициента надежности как функцию номера ремонта./.

Третий раздел посвящен практической реализации разработанных результатов. В нем в соответствии с разработанной методикой приведены результаты расчетов надежности устройства ЖАТ «Формирователь сигналов автоматической локомотивной сигнализации станционный» (таблица 2), и устройства зашиты аппаратуры ЖАТ от атмосферных воздействий для разных вариантов конструктивного исполнения (таблица 3), и входящих в его состав модулей МЗ-ПП, МЗ-ГП, МЗ-ГПП (таблица 4).

Таблица 2 - Результаты расчета показателей надежности серийного образца ФСС, выполненного по БМО-технологии

Составные части ФСС Хы-10"6,1/ч п, ХгигЮ"6,1/ч

Ячейка выбора 9,9495 1 9,9495

Ячейка модуляторов 109,2863 1 109,2863

Ячейка контроля 48,63925 1 48,63925

Ячейка запуска 16,87335 1 16,87335

Ячейка усилителя 2,5227 1 2,5227

Плата входная 42,50395 1 42,50395

Плата питания 9,5005 1 9,5005

Плата индикации 18,0766 1 18,0766

Транзистор 0,1 6 0,6

Диод 0,08 4 0,32

Вилка 0,8 2 1,6

Жгут 0,0133 1,8 0,02394

Интенсивность потока отказов Х0-10"6 всего блока, 1/ч 259,896

Среднее время наработки на отказ всего блока Т, ч 3847,692

Вероятность безотказной работы за 2000 ч 0,594644

Таблица 3 - Результаты расчетов показателей надежности защитного устройства

Вероятность безотказной работы за год 0,016887041

Интенсивность потока отказов ). ■ 10"6,1/ч 465,8914138

Среднее время наработки на отказ, ч 2146,422901

Таблица 4 - Результаты расчетов показателей надежности модулей МЗ-ПП, МЗ-ГП, МЗ-ГПП защитного устройства

Модуль Вероятность безотказной работы за год Интенсивность потока отказов А • ЮЛ 1/ч Среднее время наработки на отказ, час

МЗ-ПП 0,34127123 122,7257683 8148,248

МЗ-ГП 0,3417906 122,5521718 8159,7901

МЗ-ГПП 0,34127123 122,7257683 8148,248

Также третий раздел содержит описание разработанных программных комплексов АРОПН-1 и АРОПН-2, предназначенных для оценки достигнутых значений показателей надежности РЭУ ЖАТ по статистическим данным из эксплуатации.

Основные результаты исследования

В диссертации проведено актуальное исследование, посвященное разработке комплекса моделей и методик как научно-методической основы управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ с учетом результатов анализа причин отказов.

1. Показано, что при разработке методического обеспечения управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ целесообразно руководствоваться следующими принципами: 1) систематического учета надежности РЭУ ЖАТ относительно их проектной нормы при проведении предупреждающих и корректирующих действий по повышению качества их функционирования; 2) выделения из воздействующих дестабилизирующих факторов информационной составляющей и анализа ее влияния на надежность; 3) согласованности расчетов надежности с ЖЦ РЭУ ЖАТ; 4) пополнения статистических данных результатами имитационного моделирования.

2. Предложенная процедура управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ позволяет не только получить расчетные и фактические (эксплуатационные) значения наработки на отказ этих устройств, но и выявлять и устранять причины несоответствия уровня их надёжности заданным требованиям (нормативные значения), а также спланировать те мероприятия, которые с эксплуатационной и экономической точек зрения обеспечат необходимый уровень надёжности РЭУ ЖАТ. Таким образом, изложенный подход позволит реально управлять надежностью РЭУ ЖАТ.

3. Разработанная методика расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ с учетом реальных условий их хранения и эксплуатации позволяет повысить точность расчетов, так как в отличие от известных методик, учитывающих климатические, вибрационные, радиационные и т.п. условия последующей эксплуатации РЭУ ЖАТ, позволяет через поправочные коэффициенты к интенсивности потока их отказов учитывать консгрук-тивные варианты исполнения РЭУ ЖАТ, особенности ТП их производства, а также уровень ТОс и СМК предприятия, серийно изготавливающего устройства ЖАТ.

4. Предложенная методика прогнозирования показателей надежности РЭУ ЖАТ, в отличие от известных методик оценки достигнутых их значений, которые направлены на построение ретроспективных оценок этих значений, изначально заложенных при выпуске РЭУ ЖАТ в эксплуатацию, позволяет прогнозировать по статистическим данным, поступающим с эксплуатации, предстоящие значения нестационарного коэффициента готовности РЭУ ЖАТ.

5. Проведенные с использованием разработанной методики расчеты показателей надежности выпускаемых РЭУ ЖАТ показали, что она позволяет на 10- 15 % повысить точность расчетов и оперативно оценить значения показателей надежности различных конструктивных исполнений и спецификаций комплектующих элементов этих устройств, а также объективно оценить технологическую готовность производственных предприятий к серийному выпуску данных устройств с надлежащим качеством.

6. Разработанное методическое обеспечение процесса управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ доведена до алгоритмов и программ программных комплексов АРОПН-1 и АРОПН-2, которые реализуют предложенную методику про-

гнозирования значений показателей надежности РЭУ ЖАТ по статистическим данным, поступающим с эксплуатации, и позволяют осуществлять в режиме реального времени мониторинг значений основных показателей надежности, например, нестационарного коэффициента готовности, и научно обосновывать продление сроков полезного использования конкретных РЭУ ЖАТ.

Публикации по теме исследования

В рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Хромушкин К.Д. EBILOCK-950 R 4 - решение для крупных станций // Автоматика, связь, информатика. - 2007. 10. - С. 13 - 14.

2. Хромушкин К.Д. Сервис и доверие клиентов // Автоматика, связь, информатика. - 2008. - № 6. - С. 14 - 15.

3. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф. Обоснование подхода к управлению надежностью аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики//Известия Института инженерной физики. — Серпухов: Межрегиональное научное и образовательное учреждение «Институт инженерной физики». - 2010. - № 3 (17). - 84 с. - С. 24 - 26. (со-иск. - 45%)

4. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф., Михеев Е.А. Расчет показателей надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом условий их хранения и эксплуатации // Известия Института инженерной физики. - Серпухов: Межрегиональное научное и образовательное учреждение «Институт инженерной физики». — 2011. - № 3 (21). - 88 с. (соиск. - 35%)

5. Хромушкин К.Д., Павлов Е.В. Система интервального регулирования на базе радиоканала // Автоматика, связь, информатика. - 2009. — №11. - С. 7 - 9. (соиск. -55%)

Статьи:

6. Хромушкин К.Д. Управление надежностью аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики иа всех этапах жизненного цикла // Надежность и качество. -Том 1. - Пенза, 2010. - 530 с. - С. 457 - 459. (соиск. - 45%)

7. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф., Горелик A.B. и др. Принципы комплексного управления надежностью систем железнодорожной автоматики и телемеханики/ МИИТ - Москва, 2010. - 22 с. - Библиогр.: 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 10.12.10. -№ 689 - В 2010. (соиск. - 35%)

8. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф., Михеев Е.А. Прогнозирование значений показателей надежности электронных устройств по данным с эксплуатации // Совершенствование систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Сб. науч. трудов кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ / Под ред. A.B. Горелика. - М.: МИИТ, 2011. - 106 с. - С. 13-21.(соиск.-35%)

9. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф., Михеев Е.А. Расчет показателей надежности устройств ЖАТ с учетом условий их хранения и эксплуатации // Совершенствование систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Сб. науч. трудов кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ / Под ред. A.B. Горелика. -М.: МИИТ,2011,- 106с.-С. 21 -26. (соиск.-40%)

10. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф., Якимов Д.А. Концепция управления надежностью аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики И Научно-

технический сборник. МО РФ. - Серпухов, СВИ РВ, 2011. - 250 с. - С. 173- 175. (соиск. -40%)

11. Хромушкин К.Д., Михеев Е.А., Орлов A.B., Тарадин H.A. Расчет и анализ достигнутых значений показателей надежности функционирования средств железнодорожной автоматики и телемеханики // Совершенствование систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Сб. науч. трудов кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ/Псд ред. A.B. Горелика. - М.: МИИТ, 2011.- 106 с. -С. 56-63. (соиск.-25%)

12. Хромушкин К.Д., Неваров ПЛ., Орлов A.B. Расчет плановых значений показателей надежности функционирования средств железнодорожной автоматики и телемеханики И Совершенствование систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Сб. науч. трудов кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ / Под ред. A.B. Горелика. - М.: МИИТ, 2011. - 106 с. - С. 64-71. (соиск. - 35%)

13. Хромушкин К.Д., Безродный Б.Ф., Михеев Е.А. Оценка эксплуатационной надежности радиоэлектронных устройств II Сб. трудов 5-й МНПК «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». - Протвино. - 2011. (соиск. - 45%)

Подписано в печать 29.06.2011. Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. 358 Отпечатано в типографии СВИ РВ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ

1 ПОСТАНОВКА НАУЧНОЙ ЗАДАЧИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ задач по обеспечению требуемой надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, определенной программой развития ОАО «РЖД» на период до 2030 года.

1.2 Принципы управления надежностью устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

1.3 Постановка задач исследования.

Выводы.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССА

УПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТЬЮ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ

АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ.

2.1 Процедура управления надежностью устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

2.2 Методика расчета показателей надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом условий их хранения и эксплуатации.

2.3 Методика прогнозирования значений показателей надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики по данным из эксплуатации.

Выводы.

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТЬЮ УСТРОЙСТВ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ.

3.1 Расчет показателей надежности устройства железнодорожной автоматики и телемеханики «Формирователь сигналов станционный».

3.2 Расчет надежности устройства защиты аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики от атмосферных воздействий.

3.3 Программный комплекс оценки и прогнозирования показателей надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики по статистическим данным

Выводы.

Актуальность темы диссертации. Безотказная работа устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) является основой для обеспечения заданного уровня пропускной и провозной способности железных дорог. Оценка качества работы хозяйства автоматики и телемеханики напрямую зависит от количества отказов устройств ЖАТ и определяется динамикой числа отказов. Поэтому особую актуальность приобретает разработка научно обоснованного подхода к управлению надежностью, охватывающего полный жизненный цикл (ЖЦ) радиоэлектронных устройств (РЭУ) ЖАТ. Реализация такого подхода позволит в короткие сроки существенно снизить число отказов устройств ЖАТ за счет увеличения их реальной наработки на отказ, доведя качество технологии их изготовления до современного уровня и, в конечном итоге, обеспечить конкурентоспособность создаваемой и выпускаемой в интересах ОАО «РЖД» аппаратуры ЖАТ.

Известны эффективные методы повышения надежности РЭУ на этапе их разработки и проектирования, изложенные в работах Сапожникова В.В., Сапожнико-ваВл.В., Шаманова В.И., Шишлякова A.B., Кравцова Ю.А., Михайлова А.Ф., Шавы-кина И.А., Петрухина Б.Н., Жидомирова Е.М., Безродного Б.Ф., Северцева H.A., Андреева А.Н., Блинова A.B., Юркова Н.К., Половко A.M., Б.М.Ведерникова, Нечипорен-ко В.И.

Широкое применение нашли подходы к обеспечению надежности образцов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при ее производстве, разработанные Глудки-ным О.П., Гуровым А.И., Коробовым А.И., Гуткиным Л.С., Усмановым В.В., Пушка-ревым Т.М., Кудрявцевым О.И., Безродным Б.Ф. Созданию методов повышения надежности РЭУ ЖАТ посвящены работы Шубинского И.Б., Горелика A.B., Кайнова В.М., Новикова В.Н., Розенберга E.H., Лисенкова В.М., Шалягина Д.В., Неварова П.А., Орлова A.B., Я гуди на Р.Ш. Однако, реализация отмеченных методов в полном объеме в рамках жизненного цикла устройств ЖАТ не представляется возможной в силу финансовых ограничений, имеющих место на фоне значительного старения эксплуатируемых на железнодорожных линиях РФ технических средств ЖАТ. В связи с этим требуется гибкий механизм обеспечения высокой надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла с учетом результатов анализа причин отказов на эксплуатации.

Обобщая вышеизложенное следует заключить, что научное исследование, направленное на разработку научно-методического обеспечения управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла, следует признать актуальным.

Для настоящего времени характерна проблемная ситуация обусловлена противоречием между возрастающими требованиями к надежности устройств ЖАТ и невозможностью их выполнения на основе традиционных методов оценки и управления надежностью в условиях интенсивного износа находящихся в эксплуатации РЭУ ЖАТ.

С учетом изложенного целью диссертационного исследования является повышение эффективности управления процессом обеспечения надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ на основе разработки комплекса процедур и методик, составляющего методическую основу оценки и управления надежностью с учетом результатов анализа причин отказов, а также реальных условий производства и эксплуатации.

Исходя из сформулированных противоречия и цели исследования решаемая научная задача может быть определена как задача разработки методического обеспечения управления надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах их ЖЦ.

Для решения указанной задачи необходимо провести исследование по следующим направлениям:

1) разработка процедуры управления надежностью РЭУ ЖАТ, охватывающую все этапы их жизненного цикла;

2) разработка методики расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, дополнительно учитывающей конструктивные варианты их исполнения, особенности технологического процесса производства, а также уровень технологического оснащения и системы менеджмента качества предприятия, серийно их изготавливающего; |

3) разработка методики прогнозирования показателей надежности РЭУ ЖАТ на основе статистических данных, поступающих с эксплуатации.

Объектом исследования в диссертации является система обеспечения? надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла, а предметом - методы расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ при их разработке и проектировании, а также оценки и прогнозирования по статистическим данным из эксплуатации.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту:

1. Процедура управления надежностью РЭУ ЖАТ, охватывающая все этапы их жизненного цикла.

2. Методика расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, учитывающая конструктивные варианты их исполнения, особенности технологического процесса производства, а также уровень технологического оснащения и системы менеджмента качества серийно изготавливающего их предприятия.

3. Методика прогнозирования показателей надежности РЭУ ЖАТ на основе статистических данных, поступающих с эксплуатации.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, основывается на том, что анализ состояния и путей решения поставленной научной задачи проведен с учетом ее актуальности и потребности, обусловленных необходимостью решения важной проблемы, состоящей в повышении надежности РЭУ ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла. При формировании единого научно-методического подхода, составляющего основу решаемой задачи, были использованы методологические принципы, разработанные в трудах известных ученых в области надежности и качества, статистического оценивания и прогнозирования.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы состоит в том, что в ней получены новые научные результаты:

1. Обоснована процедура управления надежностью РЭУ ЖАТ, которая позволяет не только получить расчетные и фактические (эксплуатационные) значения показателей их надежности, но и выявлять причины несоответствия уровня надёжности этих устройств заданным требованиям (нормативные значения), а также планировать мероприятия, которые с эксплуатационной и экономической точек зрения обеспечат необходимый уровень надежности РЭУ ЖАТ.

2. Разработана методика расчета показателей надежности РЭУ ЖАТ, которая в отличие от известных методик, учитывающих условия эксплуатации, позволяет повысить точность расчета путем учета через поправочные коэффициенты к интенсивности потока отказов особенности технологического процесса производства и конструктивного исполнения РЭУ ЖАТ, а также уровень технологического оснащения и системы менеджмента качества серийно изготавливающего их предприятия.

3. Разработана методика оценки достигнутых значений показателей надежности РЭУ ЖАТ, которая, в отличие от известных методик, направленных на построение ретроспективных оценок значений, изначально заложенных при производстве РЭУ ЖАТ, позволяет по статистическим данным из эксплуатации прогнозировать предстоящие значения нестационарного коэффициента их готовности.

Практическая значимость диссертационной работы обусловлена тем; что разработанные в ходе проведения исследований модель и методики является научно-методической основой для реализации АСУ надежностью РЭУ ЖАТ на всех этапах жизненного цикла в рамках внедряемой, в ОАО «РЖД» методологии УРРАН (управление ресурсами, рисками на основе анализа надежности). Результаты работы нашли применение при проведении практических работ по расчету значений показателей надежности выпускаемых и эксплуатируемых РЭУ ЖАТ, а также доведены до алгоритмов и программных комплексов АРОПН-1 и АРОПН-2, которые реализуют предложенную методику прогнозирования значений показателей надежности РЭУ ЖАТ по статистическим данным из эксплуатации и позволяют осуществлять в режиме реального времени мониторинг значений основных показателей надежности, например, нестационарного коэффициента готовности, и научно обосновывать продление сроков полезного использования конкретных РЭУ ЖАТ.

Апробация и публикации по теме работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на на Международной научно-технических конференциях «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010 г.), на НТС кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ и ПКТБ ЦШ - ОАО «РЖД» (г. Москва).

По теме диссертации имеются 13 публикаций, из которых 5 публикаций в изданиях, входящих в перечень ВАК («Автоматика, связь, информатика» [61, 62, 65]; «Известия Института инженерной физики» [63, 64]). В сборнике научных трудов «Совершенствование систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи» кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МИИТ [68, 69, 71, 72]; в депонированной в ВИНИТИ статье от МИИТа [67]; в сборнике научных трудов Международной научно-технической конференции «Надежность и качество» (2010 г.) [66], др. - 2.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационного исследования реализованы 1) в департаменте автоматики и телемеханики ОАО

РЖД» (г. Москва) при технико-экономическом обосновании и разработке инвестиционного проекта «Обновления технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) на 2011 - 2013 г.г.», 2) в ПКТБ ЦШ - ОАО «РЖД» (г. Москва) при технико-экономическом обосновании и разработке стандарта ОАО «РЖД» «Управление ресурсами на этапах жизненного цикла, рисками и анализом надежности. Системы, устройства и оборудование хозяйства автоматики и телемеханики. Технические требования».

Структура работы. Диссертация имеет объем 140 страниц (19 рисунков, 82 таблицы) и состоит из списка сокращений, введения, трех разделов, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы

1. Проведенные с использованием разработанной методики расчеты показателей надежности устройства формирователя станционного сигнала для автоматической локомотивной сигнализации (ФСС для АЛСН и АЛСЕН) и устройства защиты аппаратуры ЖАТ от атмосферных воздействий показали, что она позволяет на 10-15 процентов повысить точность расчетов и оперативно оценить значения показателей надежности различных их конструктивных исполнений и спецификаций комплектующих элементов, а также объективно оценить технологическую готовность производственных предприятий к серийному выпуску данных устройств с надлежащим качеством.

2. Разработанные программные комплексы АРОПН-1 и АРОПН-2 реализуют предложенную методику прогнозирования значений показателей надежности устройств ЖАТ по статистическим данным, поступающим с эксплуатации, и позволяют осуществлять в режиме реального времени мониторинг значений основных показателей надежности, например, нестационарного коэффициента готовности, и научно обосновывать продление сроков полезного использования конкретных устройств ЖАТ.

3. Реализация предложенного подхода управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла позволит в короткие сроки существенно снизить число отказов устройств ЖАТ за счет увеличения их реальной наработки на отказ, доведя качество технологии их изготовления до современного уровня и, ёв конечном итоге, обеспечить конкурентоспособность создаваемой и выпускаемой в интересах ОАО «РЖД» аппаратуры ЖАТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В настоящее время возникло объективное противоречие между повышающимися требованиями к надежности устройств ЖАТ и невозможностью обеспечить традиционными экстенсивными мерами требуемый уровень показателей надежности аппаратуры, позволяющий гарантировать выполнение этих требований. Данное противоречие между определило актуальность научной задачи разработки методического обеспечения управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла

2. При разработке методического обеспечения управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла целесообразно руководствоваться следующими основными принципами:

• принцип систематического учета надежности устройств ЖАТ относительно их проектной нормы при проведении предупреждающих и корректирующих действий по повышению качества их функционирования;

• принцип выделения из воздействующих дестабилизирующих факторов информационной составляющей и анализа ее влияния на надежность;

• принцип согласованности расчетов надежности с жизненным циклом технических средств ЖАТ;

• принцип пополнения статистических данных результатами имитационного моделирования.

3. Предложенная процедура управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла позволяет не только получить расчетные и фактические (эксплуатационные) значения наработки на отказ этих устройств, но и выявлять и устранять причины несоответствия уровня их надёжности заданным требованиям (нормативные значения), а также спланировать те мероприятия, которые с эксплуатационной и экономической точек зрения обеспечат необходимый уровень надёжности устройств ЖАТ. Таким образом, изложенный подход позволит реально управлять надежностью устройств ЖАТ.

4. Разработанная методика расчета показателей надежности устройств ЖАТ с учетом реальных условий их хранения и эксплуатации позволяет повысить точность расчетов, так как в отличие от известных методик, учитывающих климатические, вибрационные, радиационные и т. п. условия последующей эксплуатации устройств

ЖАТ, позволяет через поправочные коэффициенты к интенсивности потока их отказов учитывать конструктивные варианты исполнения устройств ЖАТ, особенности технологического процесса их производства, а также уровень технологического оснащения и системы менеджмента качества предприятия, серийно изготавливающего устройства ЖАТ.

5. Предложенная методика прогнозирования показателей надежности устройств ЖАТ, в отличие от известных методик оценки достигнутых их значений, которые направлены на построение ретроспективных оценок этих значений, изначально заложенных при выпуске устройств ЖАТ в эксплуатацию, позволяет прогнозировать по статистическим данным, поступающим с эксплуатации, предстоящие значения нестационарного коэффициента готовности устройств ЖАТ.

6. Проведенные с использованием разработанной методики расчеты показателей надежности реально выпускаемых устройств ЖАТ показали, что она позволяет на 10-15 процентов повысить точность расчетов и оперативно оценить значения ¡показателей надежности различных конструктивных исполнений и спецификаций комплектующих элементов этих устройств, а также объективно оценить технологическую готовность производственных предприятий к серийному выпуску данных устройств с надлежащим качеством.

7. Разработанное методическое обеспечение процесса управления надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла доведена до алгоритмов и программ программных комплексов АРОПН-1 и АРОПН-2, которые реализуют предложенную методику прогнозирования значений показателей надежности устройств ЖАТ по статистическим данным, поступающим с эксплуатации, и позволяют осуществлять в режиме реального времени мониторинг значений основных показателей надежности, например, нестационарного коэффициента готовности, и научно обосновывать продление сроков полезного использования конкретных устройств ЖАТ.

8. Реализация такого подхода к управлению надежностью устройств ЖАТ на всех этапах их жизненного цикла позволит в короткие сроки существенно снизить число отказов устройств ЖАТ за счет увеличения их реальной наработки на отказ, доведя качество технологии их изготовления до современного уровня и, в конечном итоге, обеспечить конкурентоспособность создаваемой и выпускаемой в интересах ОАО «РЖД» аппаратуры ЖАТ.