CC BY
70
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
УДК 656.25
Безродный1 Б.Ф., Горелик2 А.В., Неваров2 П.А., Веселова2 А.С., Болотский3 Д.Н., Голубев3 А.С.
^роектно-конструкторско-технологическое бюро железнодорожной автоматики и телемеханики, Москва, Россия
2Московский государственный университет путей сообщения, Москва, Россия 3Институт инженерной физики, Московская обл., Серпухов, Россия
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ОАО «Российские железные дороги» заинтересовано в повышении конкурентоспособности на долгосрочный период. Наряду с иными мероприятиями, достижение указанной цели базируется на выявлении и использовании резервов в существующей инфраструктуре. В управлении своей эксплуатационной деятельностью компания использует методологию управления ресурсами, рисками и анализа надежности (УРРАН). Цель внедрения данной методологии заключается в снижении стоимости жизненного цикла объектов инфраструктуры при условии обеспечения высокого уровня надёжности технических средств и требуемого уровня безопасности перевозочного процесса. При этом сами уровни надёжности и безопасности определяются исходя из допустимых величин издержек на реализацию перевозочного процесса, а также на ликвидацию возможных последствий.
Методология УРРАН используется для оценки рисков, связанных с реализацией перевозочного процесса. Оценка и анализ рисков позволяют выработать решения по управлению уровнем надёжности и безопасности функционирования систем ЖАТ, в том числе об их модернизации или замене [13]. Так аппаратура и устройства СЦБ являются основными средствами хозяйства железнодорожной автоматики и телемеханики, то для планирования и принятия решений необходимо производить оценку остаточного ресурса устройств СЦБ.
В данной работе предложен подход для получения вероятностной оценки остаточного ресурса устройств СЦБ, соответствующих основным видам основных средств хозяйства автоматики и телемеханик. Предложенный в данной работе подход распространяется на те устройства СЦБ, которые оказывают непосредственное влияние на выполнение системами ЖАТ своих функций.
Оценка остаточного ресурса базируется на статистической оценке фактических значений показателей надежности и тенденции изменения этих показателей по отношению к допустимым значениям показателя надежности.
В качестве критерия предельного состояния устройств СЦБ используется допустимое значение интенсивности отказов /,„„ устройств ЖАТ
оценки интенсивности отказов устройств ЖАТ / , эксплуатируемых на участке железной дороги.
Тогда остаточный ресурс устройств СЦБ соответствует времени Тост, в течение которого зна-
чение показателя
/I
достигнет значения показа-
теля
'доп
с
вероятностью Рд,
//оп устройств ЖАТ на
участке железной дороги [1-3]. Значения этого показателя определяется исходя из нормативного значения коэффициента простоя Кп=0,003 или определяется эмпирически на основе экономических критериев [4].
Контроль технического состояния устройств СЦБ осуществляется на основе статистической
Статистические данные о функционировании устройств СЦБ
Определение фактических значений показателей надежности осуществляется с использованием методов математической статистики на основе сведений о различных отказах устройств и систем ЖАТ на стадии эксплуатации, полученных с использованием автоматизированных систем, например, АСУ-Ш2.
При этом в данной работе приняты следующие допущения:
- вероятность безотказной работы связана с интенсивностью отказов по экспоненциальному закону;
- фактические значения интенсивности отказов Яф распределены по нормальному закону распределения ( Яф = const );
- изменения фактических значений интенсивности отказов Яф имеют линейную динамику.
Основная часть
В качестве исходных данных для статистической оценки фактического значения интенсивности отказов устройств СЦБ следует использовать отчёты, предоставляемые различными современными информационными системами, а при их отсутствии - карточки учёта отказов, журналы повседневной эксплуатации, акты технических ревизий, рекламации и анкеты опроса электромехаников. При использовании информации из комплексной системы управления хозяйством сигнализации, централизации и блокировки второго поколения - АСУ-Ш-2 исходные данные можно получить на основе отчетов, формируемых из единой базы данных «Оснащённость устройствами СЦБ» всей сети железных дорог.
Производится выборка данных об устройствах СЦБ соответствующего вида и их функционировании на конкретном участке железных дорог за расчётный период времени. При первоначальной оценке расчетный период составляет календарный год (для малых участков период может в последующем удлиняться). Отсчет событий начинают от момента времени 00:00 01 января рассматриваемого года.
Результаты сбора статистики представляются в виде таблицы 1.
Таблица 1
№ п/п Событие Условный номер события Дата, (число:месяц:год) Время, (часы:минуты)
1. Отказ
2. Восстановление
3. Отказ
Примечание: Каждому конкретному отказу присваивается условный номер путем сквозной нумерации, восстановление устройства СЦБ после отказа с заданным условным номером обозначается тем же условным номером.
Осуществляется перевод единиц измерения таким образом, чтобы выразить периоды времени от начала расчетного периода до момента наступления отказов и восстановлений (в дальнейшем -моменты отказов и восстановлений) в часах с начала отсчета в 00:00 01 января рассматриваемого календарного года. При этом отдельно пере-
водят число, месяц, год и минуты. Прошедшая доля текущего часа при известном количестве прошедших минут определяется как:
[час 1 = -
L мин j
60
(1)
Результат округляют до сотых.
Прошедшее количество часов от начала календарного месяца при известном числе в месяце определяют как:
[ЧаСчисло ] = 24 • ([число] - 1) . (2)
Прошедшее количество часов от начала кален дарного года до начала календарного месяца:
[0 п < 2;
п-1
[Часмесяц \
24 N , 2 < п < 12,
(3)
I=1
где п - номер анализируемого календарного месяца; N 1 - количество дней в 1-ом месяце.
Если расчетный период составляет более одного года, то следует осуществить перевод в количество часов календарных лет:
0 т < Г;
[ЧаСгод ] ■
24 •! М
(4)
где т - календарный год, сматриваемое событие; z
когда наступило рас- календарный год,
соответствующий началу анализируемого периода;
М ^ - количество дней в ^-ом году.
Окончательно, время события, выраженное в часах, прошедших с начала расчетного периода определяется по формуле:
[час] = час + [ЧаСмин ]+[ЧаСчисло ]+\_ЧаСмесяц ]+[ЧаСгод ] ,(5)
где час - час наступления события.
Результаты расчета времени событий сводятся в таблицу 2.
Данные о функционировании устройств СЦБ,
выраженные в часах Таблица 2
№ п/п Событие Время, ч
1. Отказ
2. Восстановление
3. Отказ
где
момент времени
2
момент времени
из таблицы 2.
Для первого отказа в качестве значения момента предыдущего восстановления следует использовать время начала расчетного периода Ь=0. Результаты расчета сводятся в таблицу 3. Данные о наработках на отказы
устройств СЦБ Таблица 3
№ п/п Характеристика Обозначение Время, ч
1. Наработка на 1-ый отказ Т1О
2.
Осуществляется проверка достаточности объема выборки для вычисления статистических оценок
средней наработки на отказ ТО . Для этого следует задаться значением доверительного интервала е- определения соответствующей характеристики. Минимальный объем выборки отказов определяется по формуле [3]:
[ N ]=а
(7)
где и - среднее квадратическое отклонение средней наработки на отказ; ta - параметр распределения Стъюдента.
В свою очередь, среднее квадратическое отклонение следует вычислить на основе первых 2 0 значений наработки на отказ из таблицы 3 по формуле [3]:
Примечание: Каждому конкретному отказу присваивается условный номер путем сквозной нумерации, восстановление устройства СЦБ после отказа с заданным условным номером обозначается тем же условным номером. При составлении таблицы необходимо обеспечить строгое чередование между отказами и восстановлениями.
Здесь следует отметить, что в отраслевых стандартах оговаривается отсутствие накопления отказов. Что выражается в требовании, чтобы до наступления нового отказа, старый был ликвидирован, однако, на практике, бывают случаи, когда в процессе устранения одного отказа регистрируется новый. В этом случае в таблице 2 может быть несколько строчек подряд заполненных формулировкой «отказ» или формулировкой «восстановление». Тогда в таблице 3 необходимо такие отказы, происходящие сериями, объединить в один (кратный). Для полученного таким образом отказа следует в качестве времени его возникновения указать время возникновения первого отказа в серии, а в качестве времени восстановления -время устранения последнего отказа в серии.
На основе таблицы 2 вычисляются значения наработки на 1-ый отказ по формуле:
ТО = - (В-1 , (6)
-го отказа из таблицы 1-1-го восстановления
N -1
(8)
Статистическая выборка должна составлять не менее большего из полученных значений необходимых объёмов для средней наработки на отказ.
При недостаточности фактического объёма выборки календарный срок увеличивают, а таблица 3 дополняется недостающими данными.
Таблица 3 представляет собой исходные данные для вычисления статистической оценки интенсивности отказов устройств СЦБ.
Мгновенные значения интенсивности отказов устройств СЦБ определяются по формуле [1-3]:
А=-
п
1
1 ТО
(9)
т ^^ Т ^^ у' о
1=1 1=1
где п - количество отказов в таблице 3; т - количество устройств на рассматриваемом участке; ТО - наработка на ^ый отказ (таблица 3). Результаты расчёта округляются до десятитысячных и сводятся в таблицу 4.
Мгновенные интенсивности отказов устройств
СЦБ за расчетный период Таблица 4
№ п/п Обозначение Значение, 1/ч
1. А
2. Л
Вариационный ряд строится следующим образом: - наблюдаемые значения соответствующих параметров А , называемые вариантами, записываются
возрастающем порядке; - диапазон изменения
зеличины Ле[Лт1П, Лш
разделяется на т = 10 интервалов;
определяются длины подынтервалов: Щ _ Апах Ант
(10)
- устанавливаются следующие границы подынтервалов:
[Атп, Атп + Щ, [Атп, Атп + 2 • Щ, ..., [Атп + (т - 1) • Мтах] (11)
- производится группировка значений параметра из таблицы 4 в пределах полученных интервалов и вычисляется количество значений выборки
попадающих в д-ый интервал, а также относи-
тельную частоту:
я
N
(12)
- полученный вариационный ряд представляют в виде таблицы 5.
2
2
Вариационный ряд
Таблица 5
Интервал [ 1ш1П' 1ш1П + Н) [Лшп'Лшп + 2 • Н) [ Лтп + (т — 1) • Н ^Лшах ]
Частота П1 П2 Пт
Относительная частота 41 42 4т
По данным таблицы 5 производят оценку математического ожидания, то есть определяют значение выборочной средней:
Доверительный интервал связан с доверительной вероятностью следующим общим соотношением:
2 К
.3=1_
Р (а-А1 < а < а +Д2 )= | / (/) ¿1 ,
(18)
2 п
я=1
1 т
N '2 ^
я=1
(13)
где X - представляет собой значение параметра, соответствующее середине д-го интервала:
И =-
1' +0.5•Н
2
(14)
где
я' - значение, ч
соответствующее левой гра-
а-А[
где Р(а — А1 <а <а + А2) - доверительная вероятность того, что случайная величина будет находиться в некотором наперед заданном интервале а — А1 <а <а + А2 ; а - математическое ожидание величины 1 ; / ( 1 ) - плотность распределения случайной величины 1 ; А15 А2 - левая и правая границы интервала соответственно.
Интервальную оценку а = X—находят через
нице подынтервала. В качестве оценки второго момента используется выборочная дисперсия, которую вычисляют по формуле:
\ 2
исправленное выборочное среднее, определяемое, в свою очередь, по формуле (17), из соотношения:
2
ов = я
X •( 4— 1) 1
2 п
я=1
= N '2пя я=1
(15)
X — 1г-1< а < Я + ,
г у/м г 4ы
(19)
Далее определяют поправку к выборочной дисперсии по формуле:
о1
2 пя
. я=1 •
т
2 П — 1
N N — 1
(16)
я=1
и среднее квадратическое отклонение:
где Ьу -распределение Стьюдента, находят по известным таблицам задавшись значением доверительной вероятности у = 0.97 и количеством измерений N . Примечание: для участков, где N<3 0 допустимо снизить доверительную вероятность до значения у = 0.67 . Полученную в результате расчета величину интервала в дальнейшем называют полем статистической неопределённости фактической интенсивности отказов устройств СЦБ в момент контроля технического состояния [8, 9]. Суть определения состоит в том, что вычисленное значение оценки X может случайно изменяться в различных анализируемых расчетных периодах, но не будет выходить с заданной вероятностью за заданные шириной поля статистической неопределённости границы.
(17)
Интервальная оценка параметра X заключается в задании некоторого интервала, называемого доверительным, границы которого заданы двумя числами - концами интервала, а сам он покрывает оцениваемый параметр.
ЛИТЕРАТУРА
1. Безродный Б.Ф. Методика расчета показателей надежности, безопасности и оценки рисков функционирования горочных систем автоматики / Б.Ф. Безродный, А.В. Горелик, И.А. Журавлев, П.А. Нева-ров, А.В. Орлов, Н.А. Тарадин, Д.В Шалягин. - М., 2012.- 58 с.- Деп. в ВИНИТИ, 09.07.12, № 299. -В2012.
2. Безродный Б.Ф. Методы расчета показателей надежности и безопасности функционирования систем электрической и диспетчерской централизации / Б.Ф. Безродный, А.В. Горелик, И.А. Журавлев, П.А. Неваров, А.В. Орлов, Н.А. Тарадин, Д.В Шалягин - М., 2011. -62 с. -Деп. в ВИНИТИ 12.12.11, № 534. - В2011.
3. Безродный Б.Ф. Методика расчета показателей надежности, безопасности и оценки рисков функционирования систем интервального регулирования // Б.Ф. Безродный, А.В. Горелик, И.А. Журавлев, П.А. Неваров, А.В. Орлов, Н.А. Тарадин, Д.В Шалягин. - М., 2012. -49 с. Деп. в ВИНИТИ, 09.07.12, № 298. -В2012.
4. Стюхин В.В. САПР в расчёте и оценке показателей надёжности радиотехнических систем / Стюхин В.В., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 287-289.
5. Безродный Б.Ф. Статистическая оценка остаточного ресурса устройств железнодорожной автоматики и телемеханики // Б.Ф. Безродный, Д.Н. Болотский, А.С. Веселова, А.С. Голубев, А.В. Горелик, И.А. Журавлев, П.А. Неваров, А.В. Орлов, П.В. Савченко, Н.А. Тарадин, Д.В. Шалягин - М.: МИИТ, 2 013. Деп. В ВИНИТИ, № 293-В2013
6. Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Шаманов В. И. Надёжность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Маршрут, 2003.
7. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчёту надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.: Советское радио, 1975. - 472 с.
8. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. / Ред. Совет: В.С. Авдуевский (предс.) и др. - М.: Машиностроение, 1990.
9. Горелик, А.В. Методы анализа эксплуатационной надёжности и безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики / А.В. Горелик, П.А. Неваров, Н.А. Тарадин // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. - Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2009.
10. Безродный Б.Ф. Определение проектных значений показателей надежности систем интервального регулирования движения поездов с учетом условий эксплуатации / Б.Ф. Безродный, П.А. Неваров, Д.Н. Болотский, А.С. Голубев // Надёжность и качество: труды Международного симпозиума. - Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2014.
ч
