CC BY
146
УДК 629.5.06
А. В. Рудницкий, В. И. Рудницкий, В. С. Виноградов
УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Этапы жизненного цикла современного судна сопровождаются работой сотен предприятий (начиная с организации-заказчика и заканчивая предприятием, утилизирующим проект). Связано это с тем, что современное судно, а тем более военный корабль, представляет собой сложную систему взаимодействующих друг c другом элементов. Большое количество элементов структуры и её сложность, изменение режимов работы (в том числе и под влиянием внешних возмущений), наличие как непрерывно действующих элементов, так и элементов с дискретно-непрерывным действием - известные характерные особенности судового оборудования, отражающиеся на методах моделирования его надёжности. Из современных методов моделирования надёжности, применительно к судовому оборудованию, наибольшее распространение получила технология автоматизированного структурно-логического моделирования надёжности, живучести, безопасности, эффективности и риска функционирования систем (основные понятия, термины и определения понятий в области надёжности установлены ГОСТ 27.002-89 - Примеч. авт.) благодаря высокой актуальности ее результатов.
Осуществлять сбор и анализ данных по техническому состоянию судов и судового оборудования, отказам, режимам использования и условиям эксплуатации, вырабатывать меры по обеспечению надежности должна система информационного обеспечения надёжности. Нужно признать, что в настоящее время такая система на флоте отсутствует. По этой причине флот и промышленность не имеют возможности получать достоверную оценку фактического уровня надежности и принимать соответствующие меры по его повышению. К сожалению, в настоящее время отсутствие достоверной информации о техническом состоянии оборудования, его наработке и причинах отказов привело к тому, что была утрачена обратная связь предприятия-проектанта судового оборудования и систем с эксплуатирующими предприятиями. Порою проектант не имеет информации даже о том, в какой части Мирового океана его проект выполняет своё назначение. В некоторых случаях встречается и такое положение дел, когда на проектировавшем предприятии считается, что судно «где-то ходит», хотя на самом деле оно давно уже списано и утилизировано. Часто отсутствует информация о наличии ЗИП и комплектующих частей на корабле и в пункте его базирования. Приходится сталкиваться с ситуациями, когда замена оборудования, изначально установленного на судне, производилась без уведомления предприятия, разработавшего проект. Помимо вышеупомянутого, существуют ситуации, когда для сложных объектов не удаётся на стадии разработки с необходимой точностью определить соотношение различных режимов работы оборудования, времени его простоя и т. д. Для таких объектов на стадии эксплуатации необходима корректировка значений отдельных показателей надёжности по результатам подконтрольной эксплуатации.
Из сказанного выше следует, что для организаций, владеющих большим количеством морской судовой техники, необходима система, обеспечивающая наличие полной и достоверной информации о техническом состоянии этой техники и его изменении в течение всего срока службы, о режимах использования судового оборудования, условиях эксплуатации, принятых мерах по восстановлению работоспособности, техническом обслуживании и ремонтах. Следовательно, необходима информационно-функциональная модель жизненного цикла изделия и выполняемых в этом цикле процессов. Такая разработка позволит отслеживать повторяющиеся происшествия, гораздо более эффективно и рационально воспользоваться технологиями автоматизированного моделирования надёжности объектов и вырабатывать меры по повышению надёжности морской техники.
Электронная информационно-функциональная модель жизненного цикла изделия и выполняемых в нём процессов лежит в основе CALS-технологий (Continuous Acquisition and Lifecycle Support). Внедрение на предприятиях, сопровождающих жизненный цикл корабля, отлаженных и апробированных в ряде стран НАТО технологических процедур, именуемых систе-
мами сквозного информационного сопровождения на основе CALS-технологий, в большой мере позволяет реализовать системный подход к организации всех этапов жизненного цикла корабля и установленного на нём оборудования и систем. Это внедрение обеспечивает не только «внутреннюю» информационную интеграцию в среде одного предприятия, но и «внешнюю» (от организации-заказчика до предприятия-утилизатора), что позволяет говорить о применении CALS-технологий как о глобальной стратегии повышения эффективности взаимодействия предприятий области судостроения. Инструментом построения команд для информационных потоков может являться международный стандарт ИСО 9000.
В процессе разработки полнофункциональных электронных моделей сложных технических объектов большую роль играют PDM (Product Data Management)-системы. PDM-система является основной связующей в информационной структуре предприятия. PDM-система охватывает управление всей информацией об оборудовании и связанных с ним процессами на протяжении жизненного цикла изделия. Использование PDM-систем позволяет отслеживать большие, постоянно обновляющиеся массивы данных и технической информации в ходе жизненного цикла изделия и осуществлять планирование и полный пошаговый автоматизированный контроль за совокупностью данных, описывающих изделие и процессы, с ним связанные [1, 2]. Очевидно, что при использовании электронной модели объекта скорость получения данных с мест базирования флота и их актуальность многократно возрастают в сравнении с традиционными методами, что обеспечивает дополнительные преимущества для автоматизированного моделирования надёжности морской техники.
Методика технологии автоматизированного структурно-логического моделирования стремится обеспечить полную автоматизацию процессов построения математических моделей и расчетов показателей структурных свойств устойчивости сложных объектов в программных комплексах. Разработчик системы подготавливает и вводит структурную модель исследуемого свойства устойчивости системы с заданными вероятностными параметрами элементов. Далее программный комплекс проводит построение математической модели и, на её основе, рассчитывает показатели исследуемого свойства системы. Результаты этих расчетов можно использовать для выработки решений по проектированию и эксплуатации судового оборудования. Такие программные комплексы успешно применяются при расчёте надёжности и рисков автономных объектов, в том числе и объектов использования атомной энергии [3].
Основой технологии автоматизированного структурно-логического моделирования является общий логико-вероятностный метод (ОЛВМ) моделирования и расчета надежности, живучести и безопасности структурно и качественно сложных системных объектов и процессов [4]. В ОЛВМ расчета надежности аппарат математической логики используется для первичного графического и аналитического описания условий реализации функций отдельными элементами и группами элементов в проектируемой системе. Методы теории вероятностей и комбинаторики применяются для количественной оценки безотказности и (или) опасности функционирования проектируемой системы в целом.
Типичным примером такого расчета может служить определение работоспособности судовой станции газового пожаротушения. На рис. 1 изображена функциональная схема насосной станции. Основные функции станции реализуются адресным приёмно-контрольным прибором (АПКП), отображающим информацию о состоянии системы и обеспечивающим работу модуля автоматики пожаротушения (МАПТ) и блока расширения. Сигнал о пожаре поступает с датчика обнаружения пожара. Блок расширения, питание на который может подаваться от двух источников (основного и резервного), определяет работу распределительного устройства, подающего углекислый газ в систему из изотермического резервуара, и обменивается информационными и управляющими сигналами со шкафом электроуправления. Подтверждением того, что газ дошёл до объекта пожаротушения, является сигнал с датчика подтверждения прохода газа на МАПТ, который управляет работой оборудования пожарного оповещения и может запиты-ваться, так же как и блок расширения, от двух источников питания.
Оборудование
оповещения
14
АПКП
Датчик обнаружения
пожара Блок приема
Блок контроля
Датчик подтверждения прохода газа
3 11 10
Источник питания резервный
Источник питания основной
12
Источник питания резервный
13
Блок расширения
Распределительное
устройство
Источник питания основной
-----1 Шкаф
электроуправления
Изотермический резервуар для СО2
1
2
6
1
9
5
7
8
Рис. 1. Функциональная схема станции газового пожаротушения
Реализуем методику построения логически универсального графического средства - схемы функциональной целостности (СФЦ), используя заданные в исходных данных значения показателей функционирования элементов по их целевому назначению. Система может быть корректно представлена множеством различных форм ее логического описания и видов СФЦ. На рис. 2 показана одна из этих форм.
Рис. 2. Схема функциональной целостности
Составленная полная система логических уравнений схемы приведена в таблице. Оцениваемая структура относительно несложная, т. е. количество взаимодействующих составляющих в ней невелико. Этим объясняется небольшое количество логических уравнений СФЦ в системе. Эти уравнения являются аналогом системы алгебраических и дифференциальных уравнений А. Н. Колмогорова.
Полная система логических уравнений СФЦ
Уравнения для прямых выходных функций Уравнения для инверсных выходных функций
у = Х1 У1 = Х1 У 2 = х 2 V У1
У2 = Х2 • У1 У3 = х3 V У 2 V У11
Уз = Х3 • У 2 • У11
У4 = Х4 • У56 • У2 • У7 У4 = Х4 V У56 V У 2 У7
У56 = У5 V Уб У56 = У5 ^ У6
У 5 = Х5 У 5 = Х5
Уб = Х6 У 6 = х6
У7 = Х7 У 7 = Х7
У8 = Х8 У 8 = Х8
У 9 = Х9 • У 4 • У 8 У 9 = Х9 У 4 V У 8
У10 = Х10 • У 9 У10 = ХЮ V У 9
У11 = Х11 • У10 • У23 — — — —
У23 = У12 V У13 У11 = Х11 V У10 V У 23
У12 = Х12 У 23 _ У12 ^ У13
У13 = Х13 У12 = Х12
У14 = Х14 • У11 У13 = х13
У14 = х14 V Ун
Строим функцию работоспособности системы (ФРС), т. е. функцию алгебры логики, связывающую состояния элементов с состоянием системы, используя метод прямой аналитической подстановки. Работоспособность всей системы определяется реализацией выходных функций одновременно тремя элементами (3, 9 и 14):
¥р = Уз • У9 • Ум = Х3 • Х2 • Х • *11 • Х10 • Х9 • Х4 • Х7 ' Х8 ' Х14 ' (Х5 У Хв) ' (Х12 У Х1з).
Раскрыв скобки и преобразовав выражение по правилам алгебры логики, получим:
= Х3 • х2 • Х1 • Х11 • Х10 • Х9 • Х4 • х7 • Х8 • Х14 • Х5 • Х12 V
V х3 • х2 • Х1 • Х11 • х10 • Х9 • Х4 • х7 • Х8 • Х14 • Х6 • Х12 V
V х3 • х2 • Х1 • Х11 • х10 • Х9 • Х4 • х7 • Х8 • Х14 • Х5 • Х13 V
V х3 • х2 • Х1 • Х11 • Х10 • Х9 • Х4 • х7 • Х8 • Х14 • Х6 • Х13.
Производим построение многочленов вероятностной функции путем двух последовательных преобразований исходной ФРС:
- осуществляем квазиортогонализацию ФРС по одной логической переменной, т. е. добиваемся того, чтобы все конъюнкции функций представляли собой несовместные события:
= Х3 • х2 • Х1 • Х11 • 0 Х1 • Х9 4 • х7 • Х8 • Х14 • Х5 • Х12 V
V х3 • х2 • Х1 • Х11 • Х10 • Х9 • Х4 • х7 • Х8 • Х14 • Х6 • Х12 • Х5 V
V х3 • Х2 'Х1 • 'х11 • Х10 • Х9 • Х4 Х7 • Х8 ' Х14 • Х5 ' • Х13 • Х12 V
V х3 • х2 • х1 • хп • Х10 • х9 • х4 • х7 • х8 -Х14-х6 • Х13 • Х5 • Х12;
- символьный переход к многочлену исходной функции в соответствии с законами теории
В ОЛВМ аналогичные преобразования позволяют получить и многочлен вероятностной функции для критерия неработоспособности (отказа) системы:
Ручное применение рассмотренных методов для анализа реальных структурно-сложных судовых систем практически неосуществимо по причине сложности их структуры и большого количества элементов, что делает процессы аналитического моделирования непреодолимо громоздкими. Использование вычислительной техники и соответствующих программных комплексов сводит задачу разработчика в части расчёта надёжности к вводу структурной модели системы и показателей надёжности её конкретных элементов. Если первоначальный синтез функциональной структуры осуществляется главным образом на основе опыта проектировщика, то развитие функциональной структуры осуществляется с опорой на вклад элементов их функциональной структуры в целевую функцию системы, т. е. в функцию переменных, от которых зависит достижение оптимального состояния всей системы.
Применяя информационные технологии, возможно определить надёжность будущей системы судна и скорректировать её структуру на уровне элементов уже на этапе разработки. На следующих этапах жизненного цикла судна информационные технологии позволяют обеспечить достоверность, полноту, периодичность поступления информации о конкретном оборудовании в различных условиях эксплуатации на судах и на основе этой информации вносить коррективы в потоки средств обеспечения ремонта, техобслуживания и запчастей и разрабатывать эффективные средства обеспечения надёжности выпускаемого оборудования.
1. Философские и социальные аспекты качества / Б. С. Алёшин, Л. Н. Александровская, В. И. Круглов, А. М. Шолом. - М.: Логос, 2004. - 438 с.
2. Зильбербург Л. И., Мелочник В. И., Яблочников Е. И. Информационные технологии в проектировании и производстве. - СПб.: Политехника, 2008. - 304 с.
3. Рудницкий А. В., Рудницкий В. И., Титов В. Г. Принципы использования информационных технологий для управления надёжностью энергетического оборудования автономных объектов // Тр. Ниже-город. гос. техн. ун-та. - 2008. - Т. 70. - С. 66-69.
вероятностей:
рр (0=Рр (У3 • у9 • У14; 0 =
= Р3 (*) • Р2 (0 • Р1 (0 • Рп(') • Р10 (') • Р9 (') • Р4 (') • Р7 (') • Р8 (') • Р14 (') • Р5 (') • Рі2 ({) +
+Р3 (0 • Р2^) • Р^) • Рц(() • Рю(() • Р9 (*) • Р4 ({) • Р7^) • Р8 (*) • Р14 (^) • Р6 (') • Р12 (') • ^5 (') +
+Р3 (') • Р2 (') • Р1 (') • Р„(0 • Р10 (0 • Р9 (0 • Р4 (0 • Р7 (0 • Р8 (0 • Р14 (0 • Р5 (0 • Р13 Ц) • ^2 (0 +
+Р3 (0 • Р2 (') • Р1 (') • Р11 (') • Р10 (') • Р9 (') • Р4 (І) • Р7 (*) • Р8 (І) • Р14 (Г) • Р6 (*) • Р13 (*) • ^ (Г) • ^12 (І).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Статья поступила в редакцию 23.12.2010, в окончательном варианте - 3.02.2011
MANAGEMENT OF SHIPBOARD EQUIPMENT SAFETY USING INFORMATION TECHNOLOGIES
A. V. Rudnitsky, V. I. Rudnitsky, V. S. Vinogradov
Conceptual application of informational technologies founded on foreign experience to provide safety of marine technics is considered. Necessity of application of informational-functional model of life cycle of a product for the marine technics is justified. Application of technology of the automated structural logic modelling and the total logic probability method (TLPM) of modelling and calculation of reliability, survivability and safety of structurally and qualitatively complicated system objects and processes to calculation of reliability parameters of shipboard equipment is shown. As an example of calculation the definition of functionability of a ship station of gas fire-extinguishing is given. The results of these calculations can be used for development of solutions on designing of functional structure and maintenance of marine technics.
Key words: safety, IT-technologies, marine technics.
