авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Агрегирование моделей анализа надежности и безопасности технических систем сложной структуры

-- [ Страница 1 ] --

УЧРЕЖДНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ

им. В.А.ТРАПЕЗНИКОВА РАН

На правах рукописи

ВИКТОРОВА ВАЛЕНТИНА СЕРГЕЕВНА

АГРЕГИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА

НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(в технических системах)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Институте проблем управления им.В.А.Трапезникова РАН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корноушенко Евгений Константинович доктор технических наук, профессор Можаев Александр Сергеевич доктор технических наук Швецова-Шиловская Татьяна Николаевна
Ведущая организация: ФГУП “НИИ “Субмикрон”

Защита состоится 2009 г. в 14 час на заседании диссертационного совета Д.002.226.01 Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН по адресу: 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 65. Телефон/факс Совета (495) 334-93-29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова

Автореферат разослан 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Акинфиев В.К.

Общая характеристика работы

Актуальность. Современный этап исследований в области надежности характеризуется тем, что основные теоретические разработки нашли свое воплощение в универсальных программных средствах, включающих в себя не только реализацию созданных в 60-х – 90-х годах моделей и методов, но и унифицированные процедуры обработки и расчета исходных данных. Универсальное программное обеспечение анализа надежности и безопасности, как правило, включает в себя блоки логико-вероятностного, марковского и статистического анализа, а также стандартизованные расчетные соотношения для вычисления интенсивностей отказов элементной базы, средних времен восстановления, модули поддержки качественных процедур выявления видов и последствий отказов. Структура, особенности функционирования, отказов и восстановления реальных технических систем столь разнообразны, специфичны и сложны, что моделирование и анализ их “надежностного поведения” возможны лишь с применением подобного программного обеспечения. Однако даже самые мощные программные средства не в состоянии оказать полную поддержку при проведении анализа надежности и безопасности. Решение этой проблемы может быть осуществлено двумя путями. Первый путь это создание “с нуля” программного обеспечения, реализующего как основные классы моделей и методов анализа (логико-вероятностные, марковские, статистическое моделирование), так и модели и методы, учитывающие особенности, выходящие за рамки основных моделей. Второй – модификация и расширение универсальных программ анализа надежности с целью внедрения специальных моделей и методов. Второй путь более предпочтителен, он позволяет с меньшими трудозатратами, целенаправленно выполнить поставленные задачи, не отвлекаясь на уже решенные проблемы и используя программно реализованные разработки, созданные во всем мире почти за полувековой период развития теории надежности. Второй путь основывается на решении научной задачи декомпозиции исследуемой системы, разработке моделей и методов, адекватных структуре и особенностям функционирования, отказов и восстановления выделенных при декомпозиции частей, агрегировании полученных моделей и рассчитанных показателей в общесистемные модель и показатели.





В соответствии с выдвинутым принципом автоматизации анализа надежности и безопасности сложных систем актуальным является

  • создание общей методологии агрегирования статических моделей анализа надежности и безопасности на основе деревьев отказов, деревьев событий с динамическими моделями процессов возникновения отказов и восстановления
  • разработка новых методов представления и преобразования деревьев отказов, ориентированных на автоматизацию агрегирования динамических и статических моделей надежности
  • разработка динамических моделей надежности, направленных на решение конкретных задач, и автоматизация их сопряжения с результатами качественного анализа видов, последствий и критичности отказов и количественного анализа безотказности элементной базы

Актуальность работы определяется теоретическим и практическим решением перечисленных задач и их востребованностью в химико-технологических и нефте-газоперерабатывающих отраслях промышленности, в областях космического и авиационного приборостроения.

Целью работы является разработка концепции анализа надежности и безопасности сложных технических систем на основе агрегирования статических и динамических моделей надежности, создание агрегированных моделей анализа надежности и безопасности сложных систем с учетом характеристик средств встроенного контроля, специальных процедур обработки неисправностей, промежуточных накопителей, развитие методологии автоматизации агрегированных моделей и ее практическое внедрение при построении специализированных программных приложений, являющихся расширениями универсального программного обеспечения анализа надежности и безопасности.

Методами исследования, применяемыми в диссертационной работе, являются методы математического моделирования, используемые в теории надежности и основанные на методах и положениях теории вероятностей, алгебры логики, комбинаторного анализа, теории и численных методов решения дифференциальных и алгебраических систем уравнений. Программная реализация теоретических результатов работы основана на теории реляционных баз данных, объектно-ориентированном программировании и COM технологии.

Научная новизна

  • разработан метод агрегирования на модельном и программном уровнях статических логико-вероятностных моделей блок-схем надежности и деревьев отказов с марковскими моделями, учитывающими динамические особенности функционирования сложных систем; предложено эффективное бинарное представление логики возникновения вершинных событий деревьев отказов/успехов, позволяющее проводить количественный анализ без определения наборов минимальных сечений /путей
  • созданы динамические модели и машинно-ориентированные расчетные процедуры определения показателей надежности и производительности двухфазных систем с ненадежными накопителями, предложен метод анализа многофазных, многопоточных систем, структура которых описывается графом типа дерева, основанный на декомпозиции на двухфазные модели; доказано, что полученная агрегированная оценка коэффициента готовности и средней производительности многофазной системы является нижней
  • предложен основанный на COM технологии метод сопряжения программной реализации моделей многофазных многопоточных систем с логико-вероятностными модулями и библиотеками элементов универсального программного обеспечением анализа надежности, что позволило строить более адекватные модели технологических систем
  • созданы модели и методы исследования контролепригодности систем, предложен интегральный показатель достоверности контроля, позволяющий оценивать его качество с учетом полноты, глубины, отказов первого и второго рода; разработан и практически реализован метод сопряжения программного обеспечения анализа надежности и безопасности систем с встроенным контролем с универсальными программами; метод основан на разделении импортированной базы данных видов и последствий отказов
  • предложен подход к анализу надежности отказоустойчивых управляющих вычислительных систем на моделях деревьев отказов, основанный на выделении групп несовместных событий по состояниям основного процессорного блока, что позволяет декомпозировать задачу оценки показателей надежности и преодолевать проблему размерности модели, возникающую при учете двух видов неисправностей (отказов и сбоев), алгоритмов постепенной деградации работоспособности системы, высокой степени резервирования устройств связи с объектом управления
  • разработаны динамические модели надежности компонентов отказоустойчивых вычислительных систем на основе марковских случайных процессов и метода интегральных соотношений, позволяющие учитывать внедренные в систему процедуры обработки неисправностей, “просеивающие” поток сбоев, и последовательности возникновения неисправностей, приводящие к различным последствиям на системном уровне

Полученные в работе результаты направлены на теоретическое развитие и обобщение важной практической задачи моделирования и оценки надежности и безопасности технических систем сложной структуры с различными особенностями функционирования, процессов возникновения отказов и восстановления работоспособности.

Практическая значимость и реализация результатов. Решение поставленных в диссертации задач позволяет осуществлять практическое внедрение программных реализаций предложенных теоретических моделей в проектные расчеты надежности, безопасности, производительности. Разработанные методы программного агрегирования позволяют внедрять модели в универсальные программные системы анализа надежности и использовать встроенные библиотеки элементов и видов отказов, что повышает точность моделирования и решает проблему обоснованного задания исходных данных.

Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием при

  • анализе надежности, безопасности и контролепригодности проекта семейства российских региональных самолетов Sukhoi Superjet 100
  • оценке комплексных показателей надежности для различных концепций морского обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения
  • исследовании надежности и производительности российских объектов уничтожения химического оружия
  • анализе надежности управляющей бортовой вычислительной системы с программно-реализованной сбое-отказоустойчивостью.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании “Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов”, Суздаль, 1988, 1991; VII Всесоюзной научно-технической конференции “Проблемы комплексной автоматизации судовых технических систем”, Ленинград, 1989; Международной конференции по вычислительным системам и информационным технологиям, Сидней (Австралия), 1989; 6м Международном симпозиуме IMEKO TC 10 по технической диагностике, Прага (Чехословакия), 1989; научном семинаре “Надежность и качество функционирования систем”, Москва, МГУПС (МИИТ), 1990, 2006; Всесоюзном совещании “Проблемы построения перспективных бортовых управляющих систем”, Владивосток, 1991; Международной конференции по проблемам управления, Москва, ИПУ РАН, 1999, 2003, 2006; 5м Международном научно-техническом симпозиуме "Авиационные технологии 21-го века. Наука на МАКС-99", Жуковский, 1999; Международной конференции “Параллельные вычисления и задачи управления PACO’ 2001”, Москва, ИПУ РАН, 2001; XV Международной конференции “Математические методы в технике и технологиях”, Тамбов, 2002; Международном семинаре “Relex – программное обеспечение для анализа надежности, безопасности, рисков”, Москва, ИПУ РАН/RSCE, 2003; 4й Научно-технической конференции “Функциональная Безопасность”, СНИИП, Москва, 2003; 6ом Международном семинаре ИКК МНТЦ “Наука и Компьютерные технологии ”, Москва, 2003; Международной научной конференции “Математические Методы в Технике и Технологии - 16”, Санкт-Петербург, 2003; Международном семинаре “Система Управления Качеством - FRACAS”, Москва, ИПУ РАН/RSCE, 2004; Научно-практической конференции “Современное состояние процессов переработки нефти”, Уфа, 2004; 9м Научном семинаре “Промышленная Безопасность. Программные средства в области анализа техногенного риска”, Москва, 2005;  международной конференции Межгосударственного Авиационного Комитета “Программные продукты информационного обеспечения безопасности полетов, надежности и технической эксплуатации авиационной техники”, Москва, 2006; Международной школе-семинаре по программным продуктам и проектным решениям “Relex Reliability Studio”, Salem (Germany), RSCE, 2006, 2007;. Международной научной школe "Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах” (МА БР), Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2008;

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 30 публикациях, в их числе 11 публикаций в изданиях перечня Высшей аттестационной комиссии. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, содержит 223 страницы, 75 рис., 12 табл., список литературы из 128 названий.

Содержание работы

Во введение определена цель исследований, приведено обоснование актуальности темы и научной новизны диссертационной работы, описаны методы исследований и полученные практические результаты.

В первой главе с позиций анализа надежности рассмотрены особенности технических систем сложной структуры, выделены два класса моделей (статические и динамические), проведен сравнительный анализ отечественного и зарубежного программного обеспечения анализа надежности и безопасности (ПО АНБ), предложен новый подход к разработке программ анализа надежности.

К специфическим особенностям сложных систем относятся:

  • наличие нескольких уровней эффективности функционирования (например, производительности) и постепенная деградация по эффективности при возникновении неисправностей
  • реализация разнообразных способов резервирования (структурного, временного, алгоритмического), стратегий восстановления, технического обслуживания, например, различная «нагруженность» резерва, присутствие общих элементов в различных резервированных звеньях, контроль функционирования, ограничения на ЗИП, число ремонтных бригад
  • внедрение алгоритмических методов обработки неисправностей (в основном для вычислительных устройств) с классификацией на сбои и отказы
  • возможность возникновения нескольких несовместных видов отказов элементов, приводящих, при определенной кратности и последовательности возникновения, к различным последствиям на системном уровне; наличие скрытых и явных отказов.

В разделе 1.1 предложено разделение моделей анализа надежности на два класса: cтатические, в которых состояния системы определяются наборами работоспособных и неработоспособных элементов в момент времени t; динамические, когда происходящие события, отказы рассматриваются как процессы, развивающиеся во времени.

В рамках статических моделей анализ надежности проводится следующими методами:

  • метод, использующий основные формулы теории вероятностей (вероятность суммы и произведения событий, формула полной вероятности) и комбинаторики; применяется, главным образом, для последовательно-параллельных, параллельно-последовательных структурных надежностных схем и схем m из n
  • методы, основанные на записи логических условий, интересующих исследователя функций через состояния элементов системы с последующим применением теории алгебры логики (логико-вероятностные методы, используемые в деревьях отказов, схемах функциональной целостности (СФЦ), блок-схемах надежности).

Классические статические модели для восстанавливаемых систем позволяют рассчитывать лишь дифференциальные (мгновенные) показатели надежности, определяемые в момент времени t (коэффициент готовности, параметр потока отказов, средняя эффективность в момент времени t).

В рамках динамических моделей применяются:

  • моделирование систем марковскими процессами
  • методы теории восстановления, полумарковских и регенерирующих процессов (в основном, используются асимптотические результаты либо для системы в целом, либо для отдельных резервированных звеньев)
  • статистическое имитационное моделирование (Монте Карло)

Динамические модели позволяют вычислять все основные показатели надежности - мгновенные, интервальные (вероятность безотказной работы (отказа) на интервале времени), независящие от времени стационарные показатели (средняя наработка между отказами, среднее время простоя…).

Задача адекватного моделирования надежности систем сложной структуры решается только с помощью декомпозиции системы (структурной, логической, по процессам) и применения различных расчетных методов к выделенным частям. Однако моделирование, даже выделенных частей сложных систем, порождает известные проблемы размерности (рост пространства состояний модели и связей между состояниями), и, как следствие, невозможность ручного входного описания модели, определения ее параметров, выполнения расчетов. Проблема может быть решена только с помощью автоматизации, причем, программное обеспечение анализа надежности и безопасности должно включать в себя всю совокупность методов как статических, так и динамических моделей.

В теоретических исследованиях и разработках как динамических, так и статических моделей наша страна находится на лидирующих позициях. Широко известными являются работы Рябинина И.А., Можаева А.С., Филина Б.П., Акуловой Л.Г. (логико-вероятностные методы), Половко А.М., Шубинского И.Б., Лубкова Н.В. (марковские, полумарковские случайные процессы), Ушакова И.А., Соловьева А.Д., Калашникова В.В. (асимптотические методы - полумарковские, регенерирующие процессы, теория восстановления), Ушакова И.А,, Калашникова В.В., Кузнецова Н.Ю., Буянова Б.Б., Акуловой Л.Г. (ускорение статистического моделирования), Волика Б.Г. (анализ эффективности и техногенной безопасности), Черкесова Г.Н. (системы с временной избыточностью)…

Наиболее развитыми и известными отечественными программными средствами анализа надежности и безопасности являются: АРБИТР (ПК АСМ СЗМА) – программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем; Автоматизированная система расчета надежности (АСРН-2000, 2002), реализующая стандартизованные модели безотказности радиоэлектронной элементной базы; АСОНИКА-К – программное обеспечение расчета надежности на основе методов статистического моделирования и аналитических формул для последовательно-параллельных систем; УНИВЕРСАЛ – программное обеспечение анализа надежности и безопасности, использующее полумарковское моделирование.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.