CC BY
75
УДК 656.7.01.078.13; 658.012.2.656.7
ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НОРМАТИВНОЙ НАДЕЖНОСТИ ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА
Н.И. ПЛОТНИКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.
Исследуются возможности использования теории надежности техники и переноса ее содержания для разработки теории надежности транспортного комплекса. Формулируется общая задача нормативного наблюдения надежности транспортного комплекса.
Ключевые слова: моделирование, объект, автомат надежности, метод.
1. Введение
Транспортный комплекс (ТК) рассматривается как сложный объект физических и нефизических элементов искусственного происхождения. Проектирование ТК составляет совокупность описаний назначения и надежности организационной, человеческой и технической составляющих комплекса. Наблюдение (измерение, исчисление, оценивание) свойств назначения ТК понимается как установление надежности в определениях и терминах принятой нормативной документации и количественного аппарата расчетов. Теория надежности техники имеет полувековую историю, научное содержание и нормативную базу: ГОСТ 13 377; ГОСТ-Р 534802009-67; ГОСТ 13.337-75; ГОСТ-27.002-89. Исходным понятием надежности было понятие исправности технического устройства. Поскольку машины работали и с частичными неисправностями, это создавало нечеткость понимания области определения [исправность, неисправность]. Введение термина «отказ» определяет невозможность использования технического изделия. До введения [4] надежность определялась ключевым свойством безотказности, дополнительно: долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. К настоящему времени эволюция понятия надежности в стандартах раскрывается в последовательности: исправность —* безотказность -*■ работоспособность —* готовность. В настоящей работе исследуются возможности использования теории надежности техники и переноса ее содержания для разработки теории надежности ТК. Выполняется краткий обзор нормативной базы надежности. Формулируется общая задача нормативного наблюдения надежности ТК. При этом опускаем критический анализ стандартов, представляя собственное понимание нормативного содержания надежности.
2. Основные понятия, определения и термины надежности
В соответствии с [4] надежность1, dependability - свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности и поддержка технического обслуживания. Готовность, availability - способность изделия выполнять требуемую функцию при данных условиях в предположении, что необходимые внешние ресурсы обеспечены. Безотказность, reliability - способность изделия выполнять требуемую функцию в заданном интервале времени при данных условиях. Ремонтопригодность, maintainability - способность изделия при данных условиях использования и технического обслуживания к поддержанию или восстановлению состояния, в котором оно может выполнять требуемую функцию. Долговечность, durability - способ-
1 Существительное надежность мотивируется, т.е. является производным от глагола надеяться - «на деяние являться», что означает возможность осуществления, действия. Данный термин используют только для общего неколичественного описания надежности [4, с. 12].
ность изделия выполнять требуемую функцию до достижения предельного состояния при данных условиях использования и технического обслуживания. Комплексное материальнотехническое обеспечение, integrated logistic support ILS - процесс скоординированного управления обеспечения всех материалов и ресурсов, требуемых для эксплуатации изделия. Сохранность, storability - способность изделия выполнять требуемую функцию в течение и после хранения и(или)транспортирования.
Надежность описывается как свойство, структурируемое в частных свойствах, которые проявляются в состояниях. Работоспособное состояние, up state - состояние изделия, при котором оно способно выполнить требуемую функцию при условии, что представлены необходимые внешние ресурсы. Неработоспособное состояние disabled state: состояние изделия, при котором оно способно выполнить требуемую функцию по любой причине. Предельное состояние, limiting state - состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна по причинам опасности экономическим или экологическим. Критическое состояние, critical state - состояние изделия, которое может привести к тяжелым последствиям: травмированию людей, значительному материальному ущербу или неприемлемым экологическим последствиям.
Изменения и переходы состояний проявляются в событиях: повреждение, неисправность, отказ. Повреждение, damage - приемлемая для пользователя неполная способность изделия выполнять требуемую функцию. Неисправность, fault - состояние2 изделия, характеризующееся неспособностью выполнять требуемую функцию, исключая такую неспособность во время профилактического технического обслуживания или других запланированных действий или из-за нехватки внешних ресурсов. Отказ, failure - потеря способности изделия выполнять требуемую функцию. Техническое обслуживание (ТО), maintenance - совокупность всех технических и организационных действий, направленных на поддержание или возвращение изделия в работоспособное состояние. ТО осуществляется в основных процессах обслуживания: профилактическое, корректирующее и ориентированное на безотказность.
Нормативные описания надежности разработаны для техники, технических изделий, машин и устройств. Отказ элемента структурно сложных объектов может быть не зависимым от состояния других элементов и зависимым от повреждений или отказов других элементов данного объекта [1, 3, 13]. Для сложных объектов основным показателем надежности принимается наработка на отказ. Остальные показатели представляются несущественными или невозможными для количественного исчисления. Для описания надежности структурно сложных объектов, таких как транспортный комплекс, теория надежности техники может быть лишь исходным пунктом для разработки [6, 10, 12].
3. Предметное содержание понятий назначения и надежности сложных объектов
Нормативное содержание сформировано не только в стандартах надежности, но также в составе стандартов качества ГОСТ 22851-77, ГОСТ 15467-79, РД 50-149-79, в стандартах ISO и других, где есть группы назначения, надежности, безопасности, ресурсосбережения. Сложный объект описывается в понятиях, определениях и терминах назначения и надежности. Разделение на группы назначения и надежности принципиально необходимо, но в существующих стандартах осуществляется нечетко. Главные трудности описания параметров назначения определяются в выборе приоритетов свойств. Для потребителей показатели надежности стоят выше показателей назначения. Между тем само понятие назначения, как цель применения, требует дополнительного исследования уже потому, что оно вообще отсутствует в стандартах. Понятиями, отчасти раскрывающими назначение, могут считаться понятия требования, соответствия. Параметры назначения содержат описания свойств (величин): принадлежности, функцио-
2 Здесь неисправность в отличие от [4] отнесена к событиям.
нальные, конструктивные, структурные. Существуют расхождения содержания отечественных и международных стандартов качества, которые проявляются в том, что отечественные стандарты ориентированы на количественное техническое нормирование к изготовлению изделий. Зарубежная политика стандартизации направлена на разработку программ и руководств [11].
Для установления взаимосвязи понятий назначения и надежности необходимо обратиться к смыслу понятий свойства и состояния. Свойством называют объективную особенность познаваемой предметности объекта. Состояние, по Аристотелю, это проявляемые в изменениях свойства. «Обладанием или свойством hexis называется проявление некоторой деятельности того, что обладает, и того, чем оно обладает; такое расположение по отношению к другому, например, здоровье есть некоторое свойство». Далее, «Преходящим свойством или состоянием pathos называется свойство, по отношению которого возможны изменения; разного рода проявления этих свойств и применения их» [2, с. 244]. Состояния объектов на собственном эпистемологическом уровне могут рассматриваться как свойства3. Таким образом, понятие назначения является и описывается в параметрах свойства качества объекта, а использование, применение объекта наблюдается (исчисляется) в параметрах состояний надежности.
Назначение destination сложного объекта D описывается свойствами назначения и основными условиями надежности D, называемой здесь триадой назначения-надежности: проектирования, изготовления (производства) и эксплуатации объекта. При этом наблюдение свойств и параметров надежности является средством наблюдения и условием соответствия свойств назначения целям деятельности
Основой теоретического и практического исчисления надежности является вероятностный подход и статистические расчеты показателей по установленным свойствам [5, 10]. В показателях безотказности рассматривается время безотказной работы основной случайной величины Т: а) вероятность безотказной работы р технического объекта в заданных условиях и заданной продолжительности времени работы t
Оценка работоспособности сложных объектов может определяться практикой применения. Коэффициент операционной готовности operation availability воа определяется
(1)
q(t ) = 1 - P(t )
(4)
или безотказности
(5)
(6)
где N - число однотипных элементов сложного объекта; n(t) - число отказавших объектов за время t. Соответственно статистическая оценка вероятности отказов определяется
(7)
(8)
3 Свойства воды проявляются в состояниях жидком, твердом, парообразном, кристаллическом. В каждом из этих состояний вода имеет отдельные свойства, которые также могут проявляться в состояниях.
где ва - коэффициент готовности; p{tp) - вероятность безотказной работы в период времени tp, заданного назначением объекта. Эффективность применения объектов определяется как коэффициент технического использования. Данный коэффициент вы есть отношение математического ожидания общего времени работоспособного состояния в установленный период эксплуатации и перерывов по видам технического обслуживания и ремонта ТОиР
где - период работоспособности в i-м цикле; т; - время восстановления после i-ro отказа; г. - длительность выполнения регламента профилактического j-го ТОиР, требующего вывода объекта из эксплуатации; n - число рабочих циклов за рассматриваемый период эксплуатации; m - число отказов и восстановлений; k - число профилактических ТОиР.
4. Метод категорийного переноса надежности деятельности
Отношение категории надежности может устанавливаться через аналоги, другие категории и тождественные понятия. Категория надежности человека может раскрываться через понятия правильности, точности, устойчивости, уверенности деятельности. Однако использование тождеств требует предварительно раскрывать содержание вводимых понятий. В настоящей работе данный подход называется методом категорийного переноса. Аналогом надежности человека является категория надежности техники. В этом случае необходима адекватность переноса разработанной теории надежности техники на деятельность человека. Для описания категории надежности в исследованиях преимущественно используется вероятностная мера. В настоящей работе надежность человека и пилота Hn понимается как возможностная мера наблюдения ц, адекватная условиям избранной среды назначения деятельности: Мн
Н n = mA Мн \s(M.)}, (10)
где Мн - множество, определяемое условиями s.
5. Надежность как правильность
Под правильностью, accuracy, понимают выполнение действий в соответствии стандартным ограничениям во времени и пространстве. Действие обладает значением величины работы и характеристикой времени, называемой своевременностью [7]. Надежность пилота описывается как мера правильного решения задач
H,, = m/N, (11)
где m - число правильно решенных задач, а N - общее число задач. Правильное действие, action ai, выполняется в стандартной операционной процедуре (СОП), Standard Operation Procedure (SOP), в моменты времени t1,t2,..., tt, с резервом времени + At. Правильное или нормальное действие выполняется при своевременном обнаружении оператором сигнала или совокупности
сигналов о необходимости действия. Далее происходит идентификация соответствия сигналов
стандартным конфигурациям, принятие решения, действие, оценка результата. Понятие резерва времени связывают с важностью или значимостью процедуры. Связь резервного времени действия аппроксимируется экспоненциальной зависимостью
C {tpe3 ) = е ^рвз, (12)
гдеС(? ) - значимость по содержательным и временным ограничениям; е Л£>и - непрерывность или интенсивность потока событий 1 = 11 . Время действия, время процедуры Tp = Ta + Tr
увеличивается на время реакции Tr .
6. Надежность как точность
Точность, precision - степень соответствия действительных значений параметров объекта их номинальным (заданным) значениям. Точность как понятие составляет пространственные (геометрические) величины (свойства), единообразие показателей множеств материальных объектов. В качестве категории, обратной точности, используется понятие погрешности. Соответствие конкретного значения конкретного параметра определяется понятием погрешности. Погрешность - отличие действительного значения параметра объекта от номинального. В технических дисциплинах точность параметра объекта определяют измерением. Различают точность: конструкторскую (КТ), технологическую (ТТ) и эксплуатационную (ЭТ). КТ - задает (номинирует) принципы проектирования деятельности. ТТ - составляет варианты и выборы применения объекта. ЭТ - отслеживает соответствие фактических параметров объекта заданным условиям применения. Различают систематическую погрешность и случайную. Систематическая погрешность является следствием заданных принципов КТ и проявляется в статистических показателях. Случайная погрешность может быть следствием ТТ и ЭТ. Мерой точности параметра является величина G, вычисляемая по формулам
G = XR/XN , если XR < XN и V < T (13)
или
G = XR/XN , если XR > XN и V < T{G < 1), (14)
где XR - действительное значение параметра; XN - номинальное значение параметра; V - рассеяние действительных значений параметров; Т - допуск отклонений параметра. Абсолютная погрешность A х выражается в единицах параметра и рассчитывается
A, = |Xr -Xn| . (15)
Относительная погрешность A o - это отношение абсолютной погрешности к номинальному значению
A o = (A JXn ) 100 %. (16)
Точность действий оператора зависит от систематических и случайных причин и определяется по приближенной формуле
dS = M + 2^S , (17)
где M = m1 + ...mk есть систематические погрешности системы
$s= V^i+^22 + -+ (18)
среднеквадратичные отклонения случайных погрешностей в элементах системы. Абсолютная точность действия оператора практически не достижима, для этого рассчитывается общая приемлемая погрешность и резерв точности
s,r„ = Dj-dmn, (19)
где Dj есть граница допустимого отклонения параметра через Dj , а dmin - общая минимальная
погрешность управления по параметру j, состоящая из погрешности прибора измерения параметра и погрешности оценки оператором параметра и действия. Резерв точности определяется наибольшей погрешностью, которую можно допускать.
7. Надежность человека как аналог надежности техники
Существуют эмпирические утверждения о компенсаторной надежности оператора, равной четырехкратному резервированию технических устройств. Надежность пилота как аналог технических компонент может быть представлена
Н = н./ПП., Н Т) ■ (20)
где н. (Тг) - надежность технических компонент в полете. Надежность техники описывается с
помощью функции распределения безотказной работы. Простая схема содержит три этапа изменения надежности. Первый называют этапом приработки с повышенной плотностью вероятности отказов, второй этап - наступает длительная стабилизация надежности, на третьем этапе старения и износа плотность отказов увеличивается. Надежность профессиональной деятельности человека может качественно совпадать с описанной кривой жизненного цикла надежности воздушного судна. Характеристики надежности машины и человека имеют отличающуюся природу, динамику, интенсивность изменений во времени. Возможно составление следующих терминов теории надежности человека, эквивалентных терминам теории надежности технических объектов (табл. 1).
Таблица 1
Тождество понятий техника-человек
Техника Человек
Безотказность Безошибочность
Сохраняемость Устойчивость навыков
Долговечность Профессиональное долголетие
Ремонтопригодность Реабилитация организма
В осстанавливаемость Рекреация трудоспособности
Резервирование Толерантность к ошибкам
Возможность переноса теории надежности технических объектов на деятельность оператора иллюстрируется практикой используемых приемов и методов. Например, безотказность технического объекта эквивалентна методу минимизации ошибки - непосредственного воздействия на источник ошибки путем уменьшения числа факторов, способствующих ошибке, или их исключения. Примерами таких методов являются совершенствование технологии технического обслуживания авиатехники и совершенствование эргономики пилотских кабин. Резервирование технического объекта эквивалентно методу перехвата ошибки человеком. Метод предполагает, что ошибка уже совершена и ее нужно «перехватить», прежде чем проявятся ее неблагоприятные последствия. Метод перехвата ошибок отличается от метода минимизации тем, что он не предназначен непосредственно для уменьшения числа ошибок или их исключения. Примерами таких методов являются перекрестные контрольные проверки правильности выполнения задач и испытательные полеты. Резервирование технического объекта эквивалентно методу толерантности к ошибкам человека. Примером является программа проверки конструкции воздушного судна, обеспечивающая несколько возможностей человеку обнаружить и контролировать усталостную трещину до того, как она достигнет опасных размеров.
8. Обсуждение
Современная теория и количественный аппарат расчета надежности рассматривает сложные объекты, состоящие из множества объектов и изделий физической природы. Однако во всем многообразии деятельности основные определения, термины и методы расчета создания и использования конкретных объектов обретают специфическое содержание. Термины «повреж-
дение», «неисправность», «отказ» могут иметь множество вариантов наименований. Подобным вариантом может быть понятие «задержка вылета воздушного судна» по какой-либо причине. Под отказами могут пониматься события авиационных происшествий. Следовательно, представляется допустимым перенос содержания теория надежности техники для описания ТК. Используя выражение (9), можно показать, что деятельность авиакомпании, как ключевой части ТК, ее основных структур - летного комплекса (ЛК), авиатехнического комплекса (АТК), коммерческого комплекса (КК) возможно описать в терминах формулы: периоды работоспособности, простоев, число рабочих циклов и т.д. Данное описание является задачей нормативного наблюдения надежности ТК.
9. Постановка задачи нормативного наблюдения надежности
В соответствии с вышеизложенным содержанием построим простейший автомат надежности, показывающий взаимосвязи процессов, состояний и событий надежности. Для образца разработки принято описание [4], где цифры - номера терминов (рис. 1).
АВТОМАТ НАДЕЖНОСТИ
ГОСТ Р 53480-2009
-М1 Полное ТО, 109-
--------Мг ТО безотказности, 119-Мс Корректирующее ТО, 117-
Состояния
События
Рис. 1
Автоматом надежности будем называть кортеж
{0,8,М, Е}, (21)
где Q - множество состояний объекта: работоспособное, неработоспособное, предельное, критическое (5раб, 5нераб, 5првд, 5крит); 8 - функция перехода ресурсов в событиях и процессах, такая
что 8 ; 5, ® 51; М - множество процессов восстановления надежности; Е - множество событий нарушения надежности. Задача наблюдения (измерения, исчисления, оценивания) надежности Б состоит в упреждении события Е, путем выполнения ресурсного процесса технического обслуживания М,, таким что
, ч. ГЕ, << М, событие исключается 1 Б = 0:8, (Е,) М, \ 11 I. (22)
[Б; < М,событие маловероятно
Иначе, ресурсное возмещение процессов восстановления работоспособности опережает ресурсный дефицит объекта, который ведет к отказам, происшествиям, катастрофам. Далее задача наблюдения надежности ТК раскрывается в следующем содержании:
1. Разработка структуры содержания (автомата надежности) для каждого элемента ТК.
2. Установление наименований специфических понятий процессов, состояний и событий, тождественных нормативным (рис. 1).
3. Определение метода и выбор показателей расчета надежности ТК.
10. Выводы
Для наблюдения надежности возможно применение возможностной меры в теории мягких вычислений (Л. Заде, 1994) и в теории свидетельств включает меры доверия, вероятности и правдоподобия. Возможностная мера позволяет применять аппарат нечетких множеств, что расширяет наблюдение деятельности. Параметры надежности являются следствием описания параметров назначения, поскольку надежность наблюдается как состояния измененяемых свойств объектов, называемых назначением. Существует необходимость наблюдения эксплуатации сложных объектов в описании, изложенном от предельных состояниях деятельности: отказ, опасность, ущерб. Подобный подход рассматривается в исследованиях структурносложных технических объектов [12, с. 22]. Данные предельные состояния устанавливаются как базовые или база наблюдения. На их основе формируются производные состояния: работоспособность, защищенность (безопасность), результативность. Наблюдение применения сложных объектов возможно в структуре областей значений [0, 1], [-1, 1] или в шкалах наименований исходов деятельности: в теории надежности [отказ, работоспособность] в теории безопасности [опасность, защищенность (безопасность)], в теории риска [ущерб, результативность]. Дальнейшей целью является исследование возможности переноса содержания теории надежности технических объектов на разработку теории надежности деятельности человека и групп.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акимов В.А. Надежность технических систем и техногенный риск / В.А. Акимов, В.Л. Лапин, В.М. Попов, В. А. Пучков. - М.: Деловой экспресс, 2002.
2. Аристотель. Политика. Метафизика. Аналитика / пер с древнегреческого. - М.: Эксмо; СПб.: Мидгард, 2008.
3. Беленький А.С. Исследование операций в транспортных системах: идеи и схемы методов оптимизации планирования. - М., 1992.
4. ГОСТ-Р 53480-2009. - Надежность в технике. - М.: Стандартинформ, 2010.
5. Елисов Л.Н., Баранов В.В. Управление и сертификация в авиационной транспортной системе. - М.: Воздушный транспорт, 1999.
6. Зайцев Г.Н., Любомудров С.А., Федюкин В.К. Системы обеспечения качества и сертификации. - СПб, 2008.
7. Коваленко Г.В., Микинелов А.Л., Чепига В. Е. Летная эксплуатация. - М.: Машиностроение, 2007.
8. Методологические основы испытаний сложных систем. Безопасность полетов летательных аппаратов при испытаниях и учениях разнородных сил / Иванов А.И., Иванющенко А.С., Нарбут С.Р., Перевозчиков Н.И., Соловцов Н.Е., Чельцов Б.Ф. - М., 2003.
9. Минько Э.В., Кричевский М.Л. Качество и конкурентоспособность. - СПб.: Питер, 2004.
10. Моломин В.П. Модели управления надежностью авиационной техники. - М., 1981.
11. Мурашев Ю.Г., Гайков-Алехов А.А. Проблемы определения показателей надежности в квалиметриче-ском анализе // ВОЕНМЕХ. Вестник Балтийского ГТУ. - 2008. - № 1. - С. 61-65.
12. Рябинин И. А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. - СПб.: СПбГУ, 2007.
13. Хенли Э.Д., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска / пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1984.
TRANSPORT COMPLEX REGULATORY AND RELIABILITY STUDY AND SIMULATION
Plotnikov N.I.
Explores the possibilities of using the theory of technology reliability and its content transfer to develop theories of reliability of the transport complex. Is the overall objective of the regulatory monitoring reliability of the transport complex.
Key words: modeling, object, machine reliability, method.
Сведения об авторе
Плотников Николай Иванович, 1946 г.р., окончил Академию гражданской авиации (1973), кандидат технических наук, инженер-пилот, генеральный директор ЗАО Исследовательского проектного центра «АвиаМенеджер», автор более 100 научных работ, область научных интересов - теория информации, теория ресурсов, теория сложных объектов, воздушный транспорт, консалтинг.
