Введение к работе
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 крещению 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, КА
3 I рОС НАЦИОНАЛЬНА* j
Иыуду, В.П. Калявин, А.В. Мозгалевский, ВА Овсянников, Г.С. Пашковский, НА 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, ХА. 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:
совершенствование показателей безопасности (ПБ) изделий с учетом параметров систем технического обслуживания и восстановления, ошибок диагностирования, квалификации обслуживающего персонала;
разработка математической модели количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики;
исследование влияния ошибок диагностирования первого и второго рода на показатели безопасности и временные параметры процесса ТО;
разработка методов формирования исходных данных для моделирования ПБ изделий;
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.
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 ШМ PC.
Научной новизной и значимостью обладают следующие результаты:
показатели безопасности изделий: функционалы безопасности и безопасного технического использования;
математическая модель расчета предложенных показателей безопасности изделий;
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;
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;
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;
совместное применение функционалов безопасности и безопасного технического использования позволяет рекомендовать рациональную периодичность технического обслуживания с учетом требуемой безопасности.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена:
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;
получением частных, ранее известных моделей расчета показателей безопасности при игнорировании (обнулении) дополнительно учитываемых ею входных данных;
небольшим значением (до 10 процентов) погрешности определения оптимальной периодичности ТО. Значение погрешности определено путем сравнения данных многолетней эксплуатации изделий с полученными результатами моделирования;
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
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;
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;
доказательстве адекватности модели исследуемым процессам и определении погрешностей моделирования;
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.
Похожие диссертации на Совершенствование методов контроля и количественной оценки безопасности изделий связи и автоматики
