Совершенствование методов контроля и количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики

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 15 423.

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 эксплуатациюучета 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 процессовб) наибольшее влияние на ПБ оказывают значения интенсивности опасных и защитных отказов, а также ошибки диагностирования второго рода встроенной АДв) 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 разработкерекомендованы 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 — ТдопВторой функционал определяет оптимальное значение периодичности технического обслуживания при максимальной безопасности — ТоптРациональная 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.

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.