CC BY
195
HiS
RESEARCH
КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ ОБЪЕДИНЕНИЯ И ОБОБЩЕНИЯ ДАННЫХ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ПЕРВИЧНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ДОКУМЕНТАХ О РЕЗУЛЬТАТАХ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Филоненко П.А.,
«Научно-исследовательский институт космических систем имени А.А. Максимова» -филиал Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева», [email protected]
Ключевые слова:
надежность, автоматизация, специальное программное обеспечение,
система информации о техническом состоянии и надежности, байесовские методы.
АННОТАЦИЯ
В настоящее время актуальной является задача обеспечения длительного функционирования элементов и модулей изделий ракетно-космической техники с целью гарантированного достижения сроков активного существования космических аппаратов более десяти лет. Одним из элементов системы обеспечения надежности изделий ракетно-космической техники является количественная оценка фактических уровней ее надежности, на основе которой принимаются решения о необходимости совершенствования конструкции изделий, изменения технологии их производства и системы эксплуатации. Повышение достоверности оценивания надежности в настоящее время возможно в основном за счет расширения состава используемых исходных данных и увеличения объемов первичной информации на основе автоматизации процессов сбора и обработки данных о техническом состоянии и надежности на всех этапах жизненного цикла изделия. Процесс сбора и обработки первичных данных является наименее автоматизированным, наиболее трудоемким и подверженным негативному влиянию человеческого фактора. Установленная нормативно-техническими документами структура исходных данных, циркулирующих в системе информации о надежности, не в полной мере соответствует составу и структуре исходных данных, необходимых для расчета надежности изделий, что приводит либо к снижению точности расчетов, либо к невозможности их проведения для ряда изделий. Для адаптации к структуре исходных данных, установленных в ГОСТ, и повышения точности оценок надежности используется расчет по ряду известных методик с целью получения оценок на основе данных, циркулирующих в существующей системе информации о техническом состоянии и надежности. Для подготовки исходных данных на основе метода оценивания надежности в условиях статистически неоднородной информации разработана схема объединения информации, позволяющая использовать статистически неоднородные выборки для получения оценок показателей надежности, в том числе с использованием расчетно-экспериментальных байесовских методов. Для получения выборок исходных данных используется существующие первичные информационных документы о результатах испытаний и эксплуатации. В процедурах расчета используются три класса моделей: расчет по структурно-функциональным схемам надежности до уровня комплектующих элементов, расчет по последовательным структурным схемам надежности (входят в состав моделей расчета) и расчет по моделям «параметрполе допуска». По результатам исследований было создано универсальное специальное программное обеспечение, предназначенное для автоматизации повседневных служебных функций сотрудников эксплуатирующих и испытательных организаций, отделов надежности предприятий, позволяющее автоматизировать процесс сбора, накопления и обработки информации в рамках распределенных информационно-вычислительных систем обеспечения надежности изделий.
Интенсивное развитие вычислительных средств привело к созданию большого количества программных комплексов (далее - ПК) для расчета надежности технических систем, например, ПК американских компаний RELEX, PSI, SAIC, а также российские ПК ДИАНА, АРМИН, АРН/ПК и др.
Использование автоматизированных систем при расчетах надежности изделий космического назначения позволяет многократно сократить трудоемкость и повысить оперативность работ по количественной оценке надежности [1].
Основным проблемным вопросом использования ПК расчета надежности является подготовка исходных данных, необходимых для проведения расчетных процедур в соответствии с заложенными методиками расчета. Известные ПК ориентированы на использование подготовленных исходных данных, в том числе справочных данных о надежности элементов.
В документах, определенных ГОСТ по системе информации, также содержится первичная информация о надежности космических средств [2-4]. Состав документов, содержащих информацию о надежности, включает около ста видов формализованных и неформализованных документов.
Дополнительными источниками информации, повышающими полноту входных данных для расчета, являются информация о характеристиках надежности изделий-аналогов (что особенно актуально для радиоэлектронной аппаратуры), схемы деления изделий на составные части, априорной информации о надежности изделий, а также структурно-функциональные схемы надежности.
Выборочные параметры технического состояния и характеристики надежности объектов, содержащиеся в первичных документах, не всегда совпадают с характеристиками генеральной совокупности (партии изделий ракетно-космической техники) вследствие ограниченности выборки, при этом сама по себе генеральная совокупность является конечной и ее свойства непрерывно меняются в ходе испытаний и эксплуатации ракетно-космических комплексов вследствие доработок, выбора различных режимов испытаний и эксплуатации и т.д. [5].
Таким образом, автоматизированный расчет надежности изделий ракетно-космической техники на основе объединения и обобщения данных, содержащихся в официальных первичных информационных документах о результатах испытаний и эксплуатации является актуальной научной задачей.
Объединение априорной и экспериментальной информации в предлагаемой комплексной методике автоматизированного расчета надежности изделий ракетно-космической техники производится на основе байесовских методов. Объединение результатов расчетов по статистически неоднородным выборкам осуществляется с использованием метода оценивания надежности в условиях статистически неоднородной информации.
В зависимости от состава исходных первичных данных о надежности в расчете показателей надежности используются три класса моделей [5]:
I. Расчет по структурно-функциональным схемам надежности до уровня комплектующих элементов.
II. Расчет по последовательным структурным схемам надежности с использованием схемы деления изделия на составные части.
II. Расчет по моделям «параметр-поле допуска» [6].
Модели класса I и II используют данные о внезапных отказах изделий, а класса III - о постепенных отказах.
Кроме того, расчет может производиться и по биномиальной схеме, учитывающей число элементов изделий п и число отказавших элементов т в результате испытаний.
В ходе наземной отработки агрегатов и узлов космического аппарата используются расчеты по I классу моделей. При расчете надежности в ходе летных испытаний или эксплуатации выбор модели расчета зависит от типа резервирования узлов и агрегатов (сквозное, несквозное резервирование), типа резерва (нагруженный, ненагруженный, частично нагруженный резерв), а также от расположения телеметрического датчика, если резервирование несквозное. Варианты расположения датчика в случае несквозного
Вариант 1: да^ик на выходе из модуля
Вариант 2: датчик на каждом канале модуля
Рис.1. Варианты расположения телеметрического датчика
резервирования представлены на рис. 1.
Выбор модели расчета осуществляется автоматизированным способом в зависимости от состава и структуры исходных данных, при этом производится проверка вида выборки распределения наработок до отказа и цензурирования (нормальная, экспоненциальная, Вейбула).
Состав и структура исходных данных, модель объединения информации и алгоритмы расчета надежности позволяют получить оценки следующих показателей надежности [5]:
- у-процентного ресурса у ;
- интенсивности отказо в X ;
- среднеквадратического отклонения интенсивности отказов о^ ;
- средней наработки до отказа т ;
- среднеквадратического отклонения средней наработки до отказа о^ ;
- вероятности безотказной работы Р ;
- среднеквадратического отклонения точечной оценки вероятности безотказной работы ор;
- нижней границы вероятности безотказной работы Рр ;
- потока отказов (неисправностей)«!) г.
Схема организации данных для расчета надежности представлена на рис. 2.
HiS
RESEARCH
Рис.2. Схема организации данных для расчета надежности
Расчетные оценки надежности на различных этапах испытаний и эксплуатации объединяются в единый показатель с использованием весовых коэффициентов по методу оценивания надежности в условиях статистически неоднородной информации [5]:
я Рк=Т0 Роб+(1 - Го ) Роъ
где Рк - оценка показателя надежности объекта, вычисленная на этапе к с учетом предварительной информации этапа к-1; Роб - объединенная оценка показателя надежности (оценка, полученная объединением -го и (к-1)-го этапов); г0 - оценка вероятности того, что статистические данные к-го и (к-1)-го этапов принадлежат к одной генеральной совокупности. В случае если коэффициент корреляции р функции Нк случайных аргументов Х;,1=1,гс с аналогичной функцией Нк-1 равен 0 или такие данные отсутствуют, то используется известная формула объединения неравноточных оценок [9].
Выбор модели расчета зависит от состава и полноты исходных данных.
В состав исходных данных для расчета входят [7]:
- индекс изделия;
- заводской номер (для всех изделий, кроме комплектующих изделий межотраслевого применения);
- структурно-функциональная схема надежности, включающая в себя режимы работы изделий и виды резервирования;
- схема деления изделия на составные части;
- ряды наработок до отказа [7г];
- ряды наработок до цензурирования [хг];
- количество отказов т (для биномиального распределения);
- количество испытаний п (для биномиального распределения);
- метод оценки: вид закона распределения (нормальный, Вейбула, экспоненциальный), эмпирическая оценка плотности распределения отказов, использование биномиальной схемы оценки, при этом осуществляется автоматическая проверка рядов наработок до отказа и цензурирования на соответствие выбранному закону распределения.
- априорная информация об уровне надежности, достигнутом на предыдущем этапе эксплуатации;
- информация о характеристиках надежности аналогов.
Получение исходных данных для расчета показателей по данным о внезапных отказах осуществляется в соответствии со схемой объединения информации. Схема модели объединения информации представлена на рис. 3.
Кроме показателей надежности, модель объединения информации предостав-ляет исходные данные для расчета обобщенных показателей технического состояния объекта.
Рис.3. Схема объединения информации
Расчет показателей надежности и обобщенных показателей технического состояния осуществляется с использованием вновь разработанного универсального спе-циального программного обеспечения. Специальное программное обеспечение использует информацию из документов, содержащуюся в базе данных, преобразует ее состав и структуру в соответствии с моделью объединения информации для выбранной модели расчета и производит расчет показателя надежности. В информационной базе находятся:
- первичные документы о техническом состоянии объекта
- протоколы испытаний
- модель источника информации;
- схема деления изделия на составные части;
- база данных аналогов;
- сводная таблица экспериментальных данных;
- математические модели расчета обобщенных показателей технического со-стояния объекта;
- математические модели расчета показателей надежности.
Информационная база включает в себя формализованную информацию для машинного расчета показателей технического состояния и надежности изделий. Информационная база состоит из базы данных, графов организации данных, а также алго-ритмов расчета показателей.
База данных является составной частью информационной базы и включает в себя следующую табличную информацию:
- из первичных документов о техническом состоянии и надежности;
- из протоколов испытаний;
- об аналогах изделий;
- сводных экспериментальных данных.
Для расчетов надежности используются следующие документы в электронном виде:
- первичные документы о техническом состоянии объекта;
- протоколы испытаний;
- схема деления изделия на составные части;
- информация о характеристиках надежности аналогов;
- дополнительные исходные данные для расчета;
- априорная информация о надежности изделий.
Документы создаются с использованием специального программного обеспечения, предназначенного для автоматического ведения базы данных о надежности изделий.
Специальное программное обеспечение состоит из следующих программных комплексов:
1. Электронного документооборота;
2. Редактора форм электронных документов;
3. Ввода измерительной информации;
4. Сбора и сопряжения информации;
5. Сбора специализированной информации из открытых источников;
6. Удаленного администрирования;
7. Актуализации БД;
8. Расчета и анализа надежности;
Рис. 4. Схема взаимодействия специального программного обеспечения
Рис.5. Обобщенный алгоритм расчета показателей
9. Редактора математического обеспечения.
Схема взаимодействия специального программного обеспечения приведена на рис. 4. Алгоритм обобщенного расчета показателей с использованием специального программного обеспечения представлен на рис. 5 [8].
Алгоритм унифицирован для различных методик расчета, что позволяет корректировать или дополнять математическое обеспечение информационно-вычислительных систем обеспечения надежности изделий в процессе эксплуатации.
Внедрение настоящей комплексной методики позволит:
- реализовать единый методический подход к проведению контроля качества и надежности изделий, как в рамках одного предприятия, так и в целом для ракетно-космической отрасли;
- снизить трудоемкость ведения электронных баз данных о надежности эле-ментов и модулей аппаратуры космического назначения, обеспечить автоматизированную подготовку исходных данных для расчетов надежности;
- повысить оперативность обработки информации о техническом состоянии и надежности изделий, а также выработки управляющих решений по обеспечению требуемых уровней качества и надежности изделий.
us
RESEARCH
Литература
1. Богданов Ю.В., Меньшиков В.А. Отработка системы эксплуатации РКК. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, слушателей академий и специалистов в области ракетно-космической техники. - М. «КОСМО», 1997. - 384 с.
2. ГОСТ РО 1410-002-2010
3. ГОСТ РВ 51030-97
4. ГОСТ РВ 51217-98
5. В.А. Меньшиков, В.Б. Рудаков, В.Н. Сычев. Контроль качества космических аппаратов при отработке и производстве. Оптимизация и управление рисками. - М.: Маши-
ностроение / Машиностроение-Полет, 2009. - 400 с.: илл.
6. Меламедов И. М. Физические основы надежности. Л., «Энергия», 1970. 152 с. с илл.
7. Аронов И.З., Бурдасов Е.И. Оценка надежности по результатам сокращен-ных испытаний - М.: Издательство стандартов, 1987, - с. 184.
8. Статистические алгоритмы исследования надежности, Горский Л.К., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 400 стр.
9. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Краткий курс математической стати-стики для технических приложений. М.: Физматгиз, 1959, 436 с.
COMPLEX TECHNIQUE OF THE AUTOMATED CALCULATION OF RELIABILITY OF PRODUCTS OF SPACEROCKET TECHNICS ON THE BASIS OF ASSOCIATION AND GENERALIZATIONS OF THE DATA CONTAINING IN PRIMARY INFORMATION DOCUMENTS ON RESULTS OF TESTS AND OPERATION
Filonenko P. «The Scientific research institute of space systems of a name of A.A.Maksimov» - branch of the Federal state unitary enterprise «the State space research-and-production center name of M.V.Khrunichev», [email protected].
Abstract
Now the problem of maintenance of long functioning of elements and modules of products of space-rocket technics with the purpose of the guaranteed achievement of terms of active existence of space vehicles more than ten years is actual. One of elements of system of maintenance of reliability of products of space-rocket technics is the quantitative estimation of actual levels of its reliability on the basis of which the decision on necessity of perfection of a design of products make, changes of technology of their manufacture and system of operation. Increase of reliability оценивания reliability now is possible basically due to expansion of structure of used initial data and increase in volumes of the primary information on the basis of automation of processes of gathering and data processing about a technical condition and reliability at all stages of life cycle of a product. Process of gathering and processing of primary data is the least automated, the most labour-consuming and subject to negative influence of the human factor.
The structure of the initial data circulating in system of the information on reliability established by normative and technical documents, not to the full corresponds to structure and structure of the initial data necessary for calculation of reliability of products that results or in decrease in accuracy of calculations, or to impossibility of their carrying out for of some products.
For adaptation to structure of the initial data established in GOST, and increases of accuracy of esti-mations of reliability calculation on a number of known techniques with the purpose of reception of estimations on the basis of the data circulating in existing system of the information on a technical condition and reliability is used. The scheme of association of the information is developed for preparation of initial data on the basis of a method оценивания reliability in conditions of statistically non-uniform information,
allowing to use statistically non-uniform samples for reception of estimations of parameters of reliability, including with use set-tle-ment-experimental байесовских methods. For reception выборок initial data it is used existing primary infor-mation documents on results of tests and operation. In procedures of calculation three classes of models are used: calculation under structurally functional schemes of reliability up to a level of completing elements, calculation under consecutive block diagrams of reliability (are a part of models of calculation) and calculation on models « parameter-floor of the admission ».
By results of researches the universal special software intended for automation of daily service func-tions of employees maintaining and assessment authorities, departments of reliability of the enterprises has been created, allowing to automate process of gathering, accumulation and processing of the information within the limits of the distributed information systems of maintenance of reliability of products.
Keywords: reliability, the automation, the special software, system of the information on a technical condition and reliability, байесовские methods.
References
1. Bogdanov Y.V., Menshikov V.A. Developing system of operation RSC. The Manual for students of higher educational institutions, listeners of academies and experts in the field of space-rocket technics. - "COSMO", 1997. - 384 p.
2. GOST РО 1410-002-2010.
3. GOST РВ 51030-97.
4. GOST РВ 51217-98.
5. V.A.Menshikov, V.B.Rudakov, V.N.Sychev. Quality assurance of space vehicles at working off and manufacture. Optimization and management of risks. - М.: Mechanical engineering / Mechanical engineering-weeds, 2009. - 400 p.
6. Melamedov I. M. Physical bases of reliability, "Energy", 1970. 152 p.
7. Aronov I.Z., Burdasov E.I. Estimation of reliability by results of the reduced tests - М.: Standards Publishing House, 1987, - 184 p.
8. Statistical algorithms of research of reliability, Gorskij L.K., The Main edition of the physical and mathematical literature of publishing house "Science ", 400 p.
9. Smirnov N.V.,Dunin-Barkovsky I.V. Brief a rate of mathematical statistics for technical appendices. М.: Fizmatgiz, 1959, 436 p.
