CC BY
12
648 с.
4. Гук Ю.Б. Анализ надёжности электроэнергетических установок. - Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1988. - 224 с.
5. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Изд-во «Металлургия», 1969. - 157 с.
6. Петроченков А. Б. Задачи анализа при рас-
чете надежности и планировании электрических режимов систем электроснабжения // Информационные управляющие системы: Сб. научн. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2003. С. 278-285.
7. Петроченков А. Б., Ромодин А. В. Комплекс «Энергооптимизатор» // Электротехника. 2010. -№6. - С.49-54.
УДК 338.26
Г.И. Коршунов, В.А. Мельников, А.В. Наумов
ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗАЩИТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ОСОБО ВАЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Создание систем управления защитными устройствами (СУЗУ) необходимо как для решения задач обеспечения обороноспособности страны, так и для предотвращения последствий террористических ударов. Особо важными объектами, для которых применяются СУЗУ, являются специальные сооружения, правительственные здания, сооружения метрополитена, имеющие необходимые средства автономного жизнеобеспечения. Внешними поражающими факторами могут быть механические, радиационные, химические и бактериологические. Актуальной является задача за минимальное время обнаружить появление таких факторов и надежно перекрыть каналы их воздействия на защищаемый объект. Известные решения не в полной мере учитывают специфику особо важных объектов и уровень предъявляемых к СУЗУ требований в части быстродействия, надежности, количества ложных срабатываний и ряда других требований, не обеспечивают оптимального распределения ресурсов. В предлагаемой работе рассмотрены факторы, связанные с вероятностью безотказной работы (далее - надежностью) при заданном быстродействии.
Целью работы является исследование и оптимизация структур СУЗУ по критерию надежности. Для этого должны быть решены задачи анализа существующих структур систем управления по критерию надежности; выбора
методов анализа надежности и отказоустойчивости; обоснования и выбора отказоустойчивой структуры СУЗУ и ее оптимального резервирования. К настоящему времени задача создания быстродействующей и высоконадежной СУЗУ решена далеко не в полной мере и актуальна [1, 2].
Решение задачи осложняется тем, что переоснащение объектов более современными системами управления защитными устройствами влечет за собой существенные материальные затраты, а выбор вариантов системы нового поколения ограничен принятыми ранее проектными решениями. Наиболее актуальными задачами модернизации СУЗУ является повышение быстродействия подсистем регистрации, а также обеспечение надежности команд управления исполнительными устройства системы. В понятие надежности здесь вкладывается устойчивость к локальным отказам и достоверность передаваемых команд управления. В ходе исследований было установлено, что достаточным быстродействием подсистемы регистрации, сбора, обработки и передачи команды управления защитными устройствами является время срабатывания до 2 мс. В отношении надежности СУЗУ в целом установлены требования по безотказности 0.999, по коэффициенту готовности 0.9995 за интервал времени, равный одному году.
В настоящее время задача построения бы-
стродействующей и высоконадежной системы управления защитными устройствами не укладывается в рамки обычных инженерных задач и носит инновационный исследовательский характер.
На особо важных объектах для построения СУЗУ применяются датчики давления, электромагнитного излучения (подземная антенна), сейсмического воздействия, светового импульса и электромагнитного импульса. Основные проблемы по быстродействию и надежности были связаны с исполнительными устройствами - автоматическими клапанами для защиты газовоздушных трактов.
В настоящее время промышленность не выпускает систему управления защитными устройствами как изделие с едиными техническими условиями, сравнительный анализ существующих СУЗУ выявил ряд недостатков: низкий уровень унификации аппаратуры СУЗУ; отсутствие резервирования каналов обработки команд; низкий уровень контролепригодности и ремонтопригодности.
В связи с этим во вновь разрабатываемой СУЗУ выбраны новые направления реализации аппаратуры: применение современной высоконадежной и быстродействующей компонентной базы с низким потреблением энергии, во-локонно - оптических линий связи; повышение надежности системы за счет введения аппаратной избыточности и допуска локальных отказов без потери работоспособности системы.
В предложенной отказоустойчивой структуре к одному БСС может подключаться через преобразователи от 1 до 12 датчиков поражающих факторов (ДПФ), кроме того, на вход каждого БСС могут быть подключены линии связи от САУ ТС объекта, по которым могут передаваться сигналы на закрытие (открытие) защитных клапанов, а также линии связи со всеми смежными БСС (до 5), по которым также могут передаваться сигналы на срабатывание защитных клапанов. Команда на закрытие АЗК любым БСС формируется во всех случаях, если на его вход поступил хотя бы один из выше перечисленных сигналов или команда. БСС, который сформировал команду на закрытие (открытие) собственных АЗК, транслирует сформированную команду на все смежные БСС СЗА. Схема транслирования команд между
БСС СУЗУ приведена на рис.1. Возможность такого построения и кросспередачи сигналов управления позволяет строить распределенные системы, в которых срабатывание любой группы датчиков приводит к срабатыванию всего комплекса систем управления защитными устройствами. Методология построения таких сложных многопроцессорных систем подробно изложена в [3].
Вместе с тем, первоочередное внимание будет уделено созданию высоконадежного единичного модуля СУЗУ, как структурного элемента для построения распределенных систем большого масштаба.
Наиболее приемлемым для расчета показателей надежности и анализа надежности СУЗУ является общий логико - вероятностный метод (ОЛВМ) анализа, предусматривающий построение "схемы функциональной целостности (СФЦ)", формулирование логического критерия функционирования ЛКФ (логической функции, задающей условия работоспособности), получение значений вероятности безотказной работы и коэффициента готовности системы [5]. Результатом выполнения структурно-логического и вероятностного моделирования являются общесистемные показатели (коэффициент готовности СУЗУ, время восстановления системы) и характеристики элементов системы («значимость», «отрицательный вклад», «положительный вклад»).
Стандартная структурная схема единичного системного модуля представлена на рис.2. В качестве примера рассмотрено подключение 5 автоматических клапанов (всего может быть подключено 16), по одному на каждый пульт управления, один блок сбора сигналов и стандартный комплект датчиков.
Количество таких системных модулей может наращиваться. Модуль состоит из следующих составных частей: четыре датчика давления (поз. 10, 11, 12, 13); пульт автоматического запуска 9поз.18); три преобразователя (поз. 14, 15, 16) с подключеными датчиками электромагнитного излучения (1, 3, 5) и светового импульса (поз 2, 4, 6); три датчика перемещений для регистрации сейсмических волн (поз.7, 8, 9); блок сбора сигналов (БСС, поз. 20); пять блоков управления защитными клапанами (БУЗК поз. 21, 22, 23, 24, 25); пять ав-
томатических защитных клапанов (АЗК поз.
БСС СУЗУ.
Целью проведения расчетов надежности является выявление элементов, вносящих наибольший вклад в ненадежность системы и выработка и реализация мероприятий по компенсации их негативного влияния на надежность системы. Представленной структурной схеме СУЗУ соответствует схема функциональной целостности (рис.3), построенная в соответствии с правилами, изложенными в [4, 5].
В табл.1 представлены типы оборудования и номера в расчетной модели единичного модуля СУЗУ, а также характеристики надежности и восстанавливаемости изделий.
Расчет производился для критерия функционирования У43, который предусматривает обязательное срабатывание всех АЗК по сигналу от любого типа датчиков. Для логического критерия У43 логическая ФРС в минимальной ДНФ будет выглядеть следующим образом:
У43 =9.18.21.22.23.24.25.31.32.33.34.35 + 8.18.21.22.23.24.25.31.32.33.34.35 + 7. 18. 21. 22. 23. 24.25.31.32.33.34.35 + 10. 11.12. 13. 17. 18. 21. 22. 23. 24. 25. 31. 32. 33. 34. 35 + 5.6.16. 18.21.22.23.24.25.31.32.33.34.35 + 3. 4. 15. 18 .21.22.23.24.25.31.32.33.34.35 + 1. 2. 14. 18. 21.22.23.24.25.31.32.33.34.35
Логическая функция представляет собой 7 кратчайших путей успешного функционирования (КПУФ), то есть семь различных способов выполнения системой своих функций. Соответствующий ей многочлен вероятностной функции имеет вид:
РУ43=д7.д8.д9.Р10.Р11.Р12.Р13.Р17.Р18. Р21.Р22.Р23.Р24.Р25.Р31.Р32.Р33.Р34. Р35 + Р5. Р6. Q7. Q8.Q9. Р16. Р18. Р21. Р22. Р23. Р24. Р25. Р31. Р32. Р33. Р34.Р35 + P3.P4.Q7. Q8.Q9.P15.P18.P21.P22.P23.P24.P25.P31.P32.P 33.Р34.Р35 + Р1. P2.Q7.Q8.Q9. Р14. Р18 .Р21. Р22.Р23.Р24.Р25. 31.Р32.Р33. 34.Р35+ Р9.Р18.Р21.Р22.Р23.Р24. Р25. Р31. Р32. Р33. Р34. Р35 + Р8. Q9. Р18. Р21. Р22. Р23. Р24. Р25. Р31. Р32. Р33 34.Р35 + P7.Q8.Q9. 18. Р21. Р22. Р23.Р24.Р25. Р31. Р32. Р33.Р34. Р35 - Р1. Р2. P3.P4.Q7. Q8.Q9.P14. Р15.Р18. Р21. Р22. Р23. Р24. Р25. Р31. Р32. Р33. Р34.Р35 - 3.Р4. Р5.Р6. 8. Q9. Р15. Р16. Р18. Р21. Р22. Р23. Р24.Р25.Р31.Р32.Р33.Р34.Р35 - Р1. Р2. P5.P6.Q7.Q8.Q9.P14.P16.P18.P21.P22.P23.P24. Р25.Р31.Р32.Р33. 34. 35 + Р1. Р2. Р3. Р4. P5.P6.Q7.Q8. Q9.P14.P15.Р16.Р18.Р21.Р22.Р23. Р24.Р25.Р31.Р32.Р33.Р34.Р35 - Р5. Р6. Q7. Q8.Q9.P10.P11.P12.P13.P16. 17. Р18. Р21. Р22.Р23.Р24.Р25.Р31.Р32.Р33.Р34.Р35 -
P3.P4.Q7.Q8.Q9.P10. Р11.Р12. Р13.Р15. Р17. Р18. Р21.Р22. Р23.Р24. Р25.Р31.Р32. 33. Р34.35 - P1.P2.Q7.Q8. Q9. Р10. Р11. Р12. Р13.Р14.Р17.Р18.Р21.Р22.Р23.Р24.Р25.Р31.Р32. Р33.Р34.Р35 + P1.P2.P3.P4.Q7.Q8.Q9. Р10.Р11. Р12. Р13Р14. Р15. Р17. Р18.Р21. Р22.Р23.Р24.Р25.Р31.Р32.Р33.Р34.Р35 +
Р3.Р4.Р5.Р6. Q7.Q8.Q9.P10.Р11.Р12.Р13.Р15.Р1 6.Р17.Р18.Р21 .Р22.Р23.Р24 Р25 Р31. Р32. Р33. Р34.Р35 +Р1.Р2.Р5.Р6. Q7. Q8. Q9. Р10. Р11.Р12.Р13.Р14.Р16.Р17.Р18.Р21.Р22.Р23.Р24. Р25.Р31.Р32.Р33.Р34.Р35 - Р1. Р2. Р3. Р4. P5.P6.Q7. Q8.Q9.P10.P11. Р12. Р13. Р14.Р15. Р16. Р17.Р18.Р21.Р22.Р23.Р24.Р25.Р31.Р32.Р33.Р34.Р35
Расчеты по приведенной формуле привели к следующим результатам:
РУ43 =0.516778.
Рис.2 Структурная схема единичного модуля
Таблица 1
Состав элементов системы и их характеристики надежности_
Наименование элемента Номера элементов в расчетной схеме Интенсивность отказов Время восстановления, ч Вероятность безотказной работы
рис. 3 рис. 4 рис. 3 рис. 4 рис 3. рис. 4 рис. 3 рис. 4
Датчик давления МЗ1 10, 11, 12, 13 10, 11, 12, 13 0,13 0,13 1,5 1,5 0,89 0,89
Пульт автоматического запуска ПАЗ-М 17 17 0,06 0,06 1,5 1,5 0,94 0,94
Датчик светового воздействия Вт 900 1, 3, 5 1, 3, 5 0,03 0,03 2 2 0,97 0,97
Датчик электромагнитного импульса Вт902 2, 4, 6 2, 4, 6 0,03 0,03 2 2 0,97 0,97
Преобразователь Вт 5500 14, 15, 16 14, 15, 16 0,04 0,04 1,4 1,4 0,96 0,96
Блок сбора сигналов БСС 18 18,19 0,04 0,04 1,4 1,4 0,96 0,96
Пульт дистанционного управления ПДУ 1М 21, 22, 23, 24, 25 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 0,07 0,07 0,81 0,81 0,93 0,93
Автоматический защитный клапан АВЗУ 5/1 31, 32, 33, 34, 35 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 0,05 0,05 7,32 7,32 0,95 0,95
Сейсмодатчик Вт 1900 7, 8, 9 7, 8, 9 0,01 0,01 2 2 0,99 0,99
Таблица 2
Характеристики элементов___
№ эл-та параметр эл-та значимость эл-та Вклад Вклад '+' значимость эл-та Вклад Вклад '+'
1 0.970000 +1.84732Е-09 -1.79190Е-09 +5.54195Е-11 +2.64894Е-09 -2.56947Е-09 +7.94680Е-11
2 0.970000 +1.84732Е-09 -1.79190Е-09 +5.54195Е-11 +2.64894Е-09 -2.56947Е-09 +7.94680Е-11
3 0.970000 +1.84732Е-09 -1.79190Е-09 +5.54195Е-11 +2.64894Е-09 -2.56947Е-09 +7.94680Е-11
4 0.970000 +1.84732Е-09 -1.79190Е-09 +5.54195Е-11 +2.64894Е-09 -2.56947Е-09 +7.94680Е-11
5 0.970000 +1.84732Е-09 -1.79190Е-09 +5.54195Е-11 +2.64894Е-09 -2.56947Е-09 +7.94680Е-11
6 0.970000 +1.84732Е-09 -1.79190Е-09 +5.54195Е-11 +2.64894Е-09 -2.56947Е-09 +7.94680Е-11
7 0.990000 +1.91905Е-08 -1.89986Е-08 +1.91905Е-10 +5.09241Е-08 -5.04148Е-08 +5.09240Е-10
8 0.990000 +1.91905Е-08 -1.89986Е-08 +1.91905Е-10 +5.09241Е-08 -5.04148Е-08 +5.09240Е-10
9 0.990000 +1.91905Е-08 -1.89986Е-08 +1.91905Е-10 +5.09241Е-08 -5.04148Е-08 +5.09240Е-10
10 0.890000 +3.10002Е-10 -2.75902Е-10 +3.41002Е-11 +4.40351Е-10 -3.91912Е-10 +4.84386Е-11
11 0.890000 +3.10002Е-10 -2.75902Е-10 +3.41002Е-11 +4.40351Е-10 -3.91912Е-10 +4.84386Е-11
12 0.890000 +3.10002Е-10 -2.75902Е-10 +3.41002Е-11 +4.40351Е-10 -3.91912Е-10 +4.84386Е-11
13 0.890000 +3.10002Е-10 -2.75902Е-10 +3.41002Е-11 +4.40351Е-10 -3.91912Е-10 +4.84386Е-11
14 0.960000 +1.86656Е-09 -1.79190Е-09 +7.46625Е-11 +2.67653Е-09 -2.56947Е-09 +1.07061Е-10
15 0.960000 +1.86656Е-09 -1.79190Е-09 +7.46625Е-11 +2.67653Е-09 -2.56947Е-09 +1.07061Е-10
16 0.960000 +1.86656Е-09 -1.79190Е-09 +7.46625Е-11 +2.67653Е-09 -2.56947Е-09 +1.07061Е-10
17 0.940000 +2.93513Е-10 -2.75902Е-10 +1.76108Е-11 +4.16928Е-10 -3.91912Е-10 +2.50157Е-11
18 (19) 0.960000 +5.38310Е-01 -5.16778Е-01 +2.15324Е-02 +2.29562Е-01 -2.20380Е-01 +9.18250Е-03
21 (26) 0.930000 +5.55675Е-01 -5.16778Е-01 +3.88973Е-02 +7.11739Е-02 -6.61918Е-02 +4.98218Е-03
22 (27) 0.930000 +5.55675Е-01 -5.16778Е-01 +3.88973Е-02 +7.11739Е-02 -6.61918Е-02 +4.98218Е-03
23 (28) 0.930000 +5.55675Е-01 -5.16778Е-01 +3.88973Е-02 +7.11739Е-02 -6.61918Е-02 +4.98218Е-03
24 (29) 0.930000 +5.55675Е-01 -5.16778Е-01 +3.88973Е-02 +7.11739Е-02 -6.61918Е-02 +4.98218Е-03
25 (30) 0.930000 +5.55675Е-01 -5.16778Е-01 +3.88973Е-02 +7.11739Е-02 -6.61918Е-02 +4.98218Е-03
31 0.950000 +5.43977Е-01 -5.16778Е-01 +2.71988Е-02 +7.75956Е-01 -7.37158Е-01 +3.87978Е-02
32 0.950000 +5.43977Е-01 -5.16778Е-01 +2.71988Е-02 +7.75956Е-01 -7.37158Е-01 +3.87978Е-02
33 0.950000 +5.43977Е-01 -5.16778Е-01 +2.71988Е-02 +7.75956Е-01 -7.37158Е-01 +3.87978Е-02
34 0.950000 +5.43977Е-01 -5.16778Е-01 +2.71988Е-02 +7.75956Е-01 -7.37158Е-01 +3.87978Е-02
35 0.950000 +5.43977Е-01 -5.16778Е-01 +2.71988Е-02 +7.75956Е-01 -7.37158Е-01 +3.87978Е-02
В таблице 2 приведены характеристики элементов системы, позволяющие оценить значимость элементов, их вклад в повышение и снижение надежности. Важность полученных характеристик подробно описана в одном из фундаментальных трудов по надежности [4]
Анализ показывает, что значимость элементов системы отличается на несколько порядков. Наивысшую значимость имеют АЗК и пульты управления ими, а также блок сбора сигналов, который представляет собой так называемое «бутылочное горлышко». При анализе величин владов видно, что вклад в снижение
надежности самый высокий у элементов с номерами с 21 по 35 (аппаратура управления приводами клапанов и сами АЗК), а также элемент с номером 18 (БСС).
Наибольший вклад в повышение надежности системы вносят мероприятия по повышению надежности аппаратуры управления приводами клапанов (номера с 21 по 25). В [6, 7] показано, что, при ограниченных ресурсах, их необходимо вкладывать в повышение надежности элементов с наивысшими показателями значимости и положительного вклада. Инновационный уровень при обеспечении надежности СУЗУ был достигнут
применением быстродействующих электронных компонентов, а также традиционными средствами -введением модулей, функционирующих в горячем резерве, а также введением в систему средств технического мониторинга оборудования.
Модули управления БСС и БУЗК содержат встроенные микропроцессоры, которые позволяют производить опрос диагностических параметров оборудования, перечень которых может быть определен исходя из требуемой глубины контроля.
Ниже представлена структурная схема единичного модуля СУЗУ с учетом реализации предлагаемых мероприятий. При этом принимается допущение, что надежность соответствующих устройств одного и того же предназначения осталась без изменений. При этих условиях схема функциональной целостности единичного модуля СУЗУ примет вид:
Логическая и вероятностная функции здесь не приведены ввиду их значительного объема. Надежность системы существенно возросла и приняла значение РУ43=0.737158.
При анализе показателей значимости и вкладов элементов системы нетрудно заметить, что после реализации мероприятий по повышению надежности аппаратуры сбора сигналов и аппаратуры управления приводами клапанов наивысшие показатели значимости и положи-
тельного вклада приобрели элементы с номерами с 31 по 35 (АЗК).
При разработке мероприятий по повышению надежности следует дополнительно отметить, что если замена пультов управления АЗК и аппаратуры сбора сигналов является технически легко реализуемым мероприятием, то замена АЗК сопряжена со значительными сложностями. Поэтому представляется целесообразным повышение надежности СУЗУ обеспечить за счет создания резерва по аппаратуре сбора и обработки сигналов и управления приводами клапанов, а надежность АЗК повышать за счет введения функций диагностики технического состояния.
Приведенные модели и расчеты, а также результаты испытаний образца системы подтвердили решение задачи создания единой комплексной системы управления защитными устройствами для особо важных объектов, отличающаяся более высокими показателями надежности и свойствами отказоустойчивости, контролепригодности, технологичности изготовления и обслуживания, информативности, стойкости к ложным срабатываниям, а также обеспечивающая согласованность системных технических характеристик составляющих систему устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов П.Г. Методологические аспекты национальной безопасности России. М.: ФЦНТП Безопасность, 2002.
2. Махутов Н.А. Проблемы снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, 2001. №3. с. 29-41.
3. Коршунов Г.И. Обеспечение качества сложных систем. Монография. СПГУВК, СПб, 2001. 84 с.
4. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. // СПб, "Политехни-
ка", 2000, 248 с.
5. Можаев А.С. Общий логико - вероятностный метод анализа надежности сложных систем. // Л.: ВМА, 1988, 67 с.
6. Лукьянов В.Д., Мельников В.А. О приближенных формулах для оптимального распределения ресурсов по элементам технической системы. Известия РАН. Теория и системы управления. , 2005, №2, с.105-111.
7. Елгаев С.Г., Мельников В.А., Лукьянов В.Д. Экономика безопасности подземного строительства. - Монография. М.:2007, - 251 с.
