Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ процесса функционирования автодорожной транспортной развязки тоннельного типа 17
1.1 Модель обеспечения безопасности и управления риском эксплуатации автодорожной транспортной развязки тоннельного типа 17
1.2 Характеристики программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных путепроводов 34
1.3 Критерии оценки качества управления надежностью программно-технических средств 50
1.4 Декомпозиция модели программно-технических средств... 55
1.5 Постановка задачи исследований 67
Выводы по первому разделу 69
2 Выбор критериальных параметров и модели рование процессов управления надежно стью программно-технических средств 72
2.1 Выбор критериев контроля расходования ресурса программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации городских тоннельных сооружений 72
2.2 Построение модели информационной системы управления надежностью программно-технических средств 84
2.3 Классификация объектов информационной системы управления надежностью по критерию «степень детализации модели объекта» 87
2.4 Классификация объектов информационной системы управления надежностью по критерию «порог различимости цены отказа» 94
2.5 Принципы оценки уровня надежности программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации городских тоннельных сооружений 99
Выводы по второму разделу 109
3 Разработка научно-методических основ обеспечения безопасности эксплуатации программно-технических средств 111
3.1 Планирование сроков ремонтно-восстановительных работ программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных развязок 111
3.2 Анализ отказов программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений 119
3.3 Моделирование процессов подготовки информации для системы логистической поддержки эксплуатации и сервисного обслуживания программно-технических средств 131
3.4 Оценка технико-экономической эффективности разработки нормативных документов для управления надежностью 137
Выводы по третьему разделу 140
Заключение 143
Библиография
- Характеристики программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных путепроводов
- Постановка задачи исследований
- Построение модели информационной системы управления надежностью программно-технических средств
- Анализ отказов программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений
Введение к работе
Обоснование актуальности темы диссертации. Рост городов и числа автомобилей приводит к строительству автомобильных развязок тоннельного типа (АРТТ) большой протяженности, назначение которых заключается в обеспечении безостановочного движения автотранспорта. Такие развязки оборудованы самыми разнообразными техническими средствами, в состав которых входят программно-технические средства (ПТС) предназначенные для того, чтобы движение в тоннеле было безопасным. Эти ПТС названы в диссертации «программно-технические средства, обеспечивающие безопасность эксплуатации тоннельных сооружений» и для краткости условно обозначены как ТСБТ. Термин «безопасность эксплуатации» трактуется в духе Федерального закона «О техническом регулировании». ТСБТ отличаются высокой сложностью и их можно отнести к сложным системам безопасности (СБ). Проектирование, разработка и эксплуатация инженерно-технического оборудования СБ АРТТ сопряжены в настоящее время с существенными затруднениями по многим причинам, одной из которых является отсутствие научно-методических основ управления надежностью ТСБТ.
Анализ данных об испытаниях и эксплуатации ТСБТ показывает, что в эксплуатацию поступают образцы, имеющие недостаточный уровень надежности; назначение используемой в тоннелях техники таково, что она не всегда приспособлена для использования в составе интегрированной системы обеспечения безопасности; существующие ТСБТ функционируют в режиме большой перегрузки: например, в Лефортовском тоннеле г. Москвы вместо запланированных в проекте 3000 проходит более 7000 автомобилей в час.
Вместе с этим одной из основных тенденций в развитии современной техники является интенсивное насыщение ее электронными средствами. Данная закономерность отчетливо проявляется для АРТТ, которые в условиях возрастающих требований к уровню функциональности и потребительского качества активно оснащаются ТСБТ. Поток отказов ТСБТ достигает нескольких тысяч в год и практически не снижается, несмотря на значительные вложения материальных и финансовых средств в совершенствование процессов разработки, производства и эксплуатации аппаратуры. Поэтому проблема обеспечения требуемых показателей надежности ТСБТ на основе комплекс-
ного и всестороннего совершенствования системы управления надежностью на всех стадиях жизненного цикла априорно относится к актуальным и имеет большую научную и практическую значимость.
Необходимость соответствия функциональных свойств ТСБТ потребностям и задачам, определяемым условиями эксплуатации и современными требованиями к АРТТ, предопределила непрерывность процесса совершенствования ТСБТ. Для более полного выявления основных тенденций отмеченного процесса необходимо учитывать, что в ТСБТ применяются такие системообразующие компоненты, как сверхбольшие интегральные микросхемы и микропроцессоры (СБИС и МП), вносящие специфические особенности в технологию управления надежностью.
Таким образом, развитие ТСБТ в области программно-аппаратного обеспечения осуществлялось и продолжает осуществляться по пути наращивания управляюще-вычислительного потенциала с использованием достижений современной микроэлектроники /28, 36, 42, 43, 74, 115, 117, 130/.
Существующая до настоящего времени практика обеспечения и управления показателями надежности в ходе разработки, производства и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), сложилась под воздействием нормативно-технической документации (НТД), разработанной в 80-х годах прошлого века. В соответствии с указанными НТД основными процессами в системе обеспечения надежности являются процессы задания требований к надежности создаваемого объекта, обеспечения надежности и контроля (оценки) достигнутого уровня надежности. Рассогласование между фактическим и требуемым уровнями надежности объекта служит основой для принятия управленческих решений по коррекции функционирования системы обеспечения надежности. Анализ такой системы управления надежности показывает, что ей присущи принципиальные недостатки: низкая оперативность (запаздывание) в выработке корректирующих воздействий; недостаточный учет влияния человеческого фактора, который становится в настоящее время доминирующим; неэффективное использование временных и материальных ресурсов при управлении надежностью.
Устранять недостатки указанной выше системы управления надежностью необходимо с учетом требований международных стандартов по управ-
лению надежностью, менеджменту риска и менеджменту качества, среди основных идей которых особую практическую ценность (применительно к рассматриваемой в диссертационной работе проблеме) имеют требования о своевременном принятии корректирующих и предупреждающих действий. Указанные требования могут быть уточнены в виде принципов оценки уровня надежности программно-технических средств и формирования на их основе оперативных управляющих решений.
Актуальность и важность задачи управления надежностью ТСБТ определяется тем, что ее решение позволит существенно снизить остроту фундаментального противоречия между объективным ростом сложности ПТС (в силу расширения множества выполняемых ими функций) и ужесточением требований, предъявляемых к надежности РЭА при ограниченных темпах роста надежности комплектующих электрорадиоизделий, а также между возможностями повышения надежности аппаратуры за счет ее удорожания и ограничениями на допустимую стоимость образцов аппаратуры, обусловленных требованиями экономической целесообразности.
В условиях комплексного подхода к решению проблемы управления надежностью ТСБТ среди задач, требующих первостепенного внимания и централизованного решения, одним из основных являются задачи, связанные с анализом и доказательством причин отказов /3, 16, 30, 49, 58, 59, 90/.
Другим важнейшим научно-техническим аспектом общей проблемы комплексного управления надежностью ТСБТ является диагностический аспект надежности /34, 35, 44, 63, 64, 78, 79, 80, 116, 118, 124, 127, 131/. Управление надежностью ТСБТ во многом зависит от уровня внедрения современных методов анализа и контроля технического состояния изделий электронной техники /4, 12, 33, 39, 40, 44, , 55, 75/. Эффективность практического применения диагностических средств во многом определяются успехом целенаправленного обучения руководителей, инженерно-технического персонала /2, 53, 66, 71, 104, 110/. Ведь только правильный выбор метода исследования, безошибочное применение действительно необходимых в сложившейся ситуации средств измерения диагностических параметров и анализа физико-технических свойств отказавшего объекта, может гарантировать полноту и достоверность получения диагностической информации, а значит и воз-
можность принятия адекватных мер по управлению как техническим состоянием отдельного устройства ТСБТ, так и принятие эффективных решений по управлению надежностью ТСБТ в целом.
Вместе с этим необходимо отметить, что, во-первых, вопросы подготовки узконаправленных специалистов технического характера, тем более в такой сложной и специфической сфере знаний как управление надежностью ТСБТ практически не исследованы, а, во-вторых, в последних работах по проблемам управления надежностью /3, 17, 19, 29, 48, 51, 52, 98/ в общих чертах обозначено новое направление: применение интеллектуальных информационных систем /48, 114/, к которым можно отнести информационную систему управления надежностью (ИСУН), но вопросы реализации этого подхода в практике эксплуатации АРТТ остаются непроработанными.
Таким образом, применение ИСУН не только по целевому назначению, но и для организации современной подготовки квалифицированных специалистов по управлению надежностью ТСБТ является априорно новым и неразработанным направлением как в области теории систем поддержки принятия решений /43, 46, 51, 67, 96/, так и в сфере научных исследований образовательной направленности /47, 62, 97/.
Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что научное исследование, направленное на разработку научно-методических основ моделирования процессов управления надежностью ТСБТ следует признать актуальным и своевременным, поскольку общий уровень областей науки, имеющих непосредственное отношение к данной проблемной области, достаточно высок и априорно предполагает возможность решения поставленной в работе научной задачи.
С учетом проведенного выше анализа может быть определена проблемная ситуация, сущность которой состоит в противоречии между необходимостью управления надежностью ТСБТ и соответствующей подготовки инженерно-технического персонала к осуществлению эффективного управления надежностью и практической невозможностью ее реализации в рамках существующей автоматизированной системы обеспечения комплексной безопасности автодорожной развязки тоннельного типа.
Таким образом, проведенный анализ применяемых подходов к обеспечению надежности при эксплуатации ТСБТ, а также опыта эксплуатации автомобильных тоннелей г. Москвы показал что:
из-за отсутствия научно-методических основ управления надежностью ТСБТ, имеется недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни или здоровью водителей автомобилей, находящихся в тоннеле, и технического персонала, государственному и муниципальному имуществу, имуществу физических и юридических лиц, а также окружающей среде;
для обеспечения заданной надежности оборудования, которым оснащена АРТТ, необходима информационная поддержка службы технической эксплуатации с целью обеспечения данными о текущем и прогнозируемом на заданный временной интервал уровне надежности ПТС;
для создания интегрированной автоматизированной системы управления эксплуатацией АРТТ необходимо иметь информационную систему управления надежностью ПТС, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений, которая является связующим звеном между автоматизированными системами управления, эксплуатирующимися в тоннеле, и подсистемой логистической поддержки системы технической эксплуатации тоннельных сооружений.
Необходимость повышения эффективности управления работой туннеля, технологическими процессами эксплуатации и ремонта программно-технических средств путем организации ИСУН, отражающей закономерности протекания информационных процессов в многоуровневых производственных системах управления, при отсутствии обоснованного научно-методического аппарата и технологии применения ИСУН в условиях эксплуатации, ремонта и модернизации ТСБТ, определяет основное противоречие и высокую актуальность темы данной диссертационной работы.
С учетом вышеизложенного цель исследования может быть определена как повышение качества и устойчивости функционирования автомобильных развязок тоннельного типа за счет моделирования процессов управления надежностью технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений, и своевременного обнаружения в ходе моделирования снижения их уровня надежности.
Исходя из сформулированной выше цели исследования, решаемая в диссертационной работе научная задача может быть поставлена как задача разработки научно-методических положений и рекомендаций по технологии построения моделей процессов управления надежностью ТСБТ и информационной системы управления их надежностью на базе разработанных математических, информационных, имитационных моделей, а также натурного моделирования.
Задачи исследований. Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо провести исследования по следующим направлениям:
разработка научно-методических положений и рекомендаций по технологии построения моделей процессов управления надежностью ПТС и информационной системы управления их надежностью на базе разработанных математических, информационных, имитационных моделей, а также натурного моделирования;
анализ состояния вопроса по управлению надежностью ТСБТ, изучение опыта смежных отраслей по решению проблем надежности аналогичных систем, выявление основных факторов, влияющих на надежность перспективных образцов и на этой основе обосновать актуальные направления совершенствования системы управления надежностью ПТС;
разработать модели обеспечения безопасности эксплуатации ПТС, позволяющие формировать базу знаний информационно-аналитической системы, используемой для подготовки и при работе квалифицированных специалистов по анализу и доказательству причин отказов ПТС на всех этапах их жизненного цикла;
разработать научно-методологические основы построения модели информационной системы управления надежностью ПТС, обосновать критерии эффективности, обосновать структуру и состав системы, определить функции основных ее звеньев;
разработать требования к информационной системе управления надежностью ПТС, включающие требования к структуре и содержанию информации, необходимой для решения задач подготовки квалифицированных
специалистов по анализу и доказательству причин отказов ПТС, методы ее получения, обобщения и использования;
- разработать требования к составу и содержанию нормативных доку
ментов, регламентирующих организационно-методические принципы функ
ционирования информационной системы управления надежностью на всех
этапах жизненного цикла ПТС.
Объектом исследования являются интегрированные комплексы обеспечения безопасности эксплуатации сложных технических систем, в частности автомобильных развязок тоннельного типа.
Предметом исследования является технология синтеза моделей процессов управления надежностью технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации автомобильных развязок тоннельного типа.
Методы исследований. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием методов системного анализа, специальных разделов теории вероятности, теории множеств и отношений, теории функциональных композиций, теории надежности, статистических методов обработки результатов натурного моделирования и методов принятия решений.
Hay чная новизна результатов диссертационной работы определяется тем, что с единых позиций системного подхода рассмотрена и решена научная задача разработки научно-методических положений и рекомендаций по построению моделей процессов управления надежностью ТСБТ и модели информационной системы управления надежностью ТСТБ на базе разработанных математических, информационных, имитационных моделей, а также натурного моделирования, основанной на единой системе моделей, различных по структуре и используемым методам, и заключается в том, что:
разработанные модели учитывают специфику информационных процессов управления надежностью современных программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации автодорожных развязок тоннельного типа;
при разработке методов имитационного моделирования процессов управления надежностью технических средств учтены факторы, определяющие характеристики персонала эксплуатирующей организации;
при разработке модели обеспечения безопасности и управления риском эксплуатации технических средств учтены требования к формированию базы данных, необходимых для обучения лиц, принимающих управленческие решения;
разработка алгоритма организации мероприятий по обеспечению безопасности и управления риском эксплуатации автодорожных развязок тоннельного типа осуществлена с учетом конечной цели: повышению качества, устойчивости и оперативности управления надежностью программно-технических средств.
Основными научными результатами, полученными автором в ходе решения сформулированной научной задачи и выносимыми на защиту являются:
- математическая модель информационной системы управления надеж
ностью программно-технических средств, обеспечивающих безопасность
эксплуатации автодорожной развязки тоннельного типа;
- метод классификации моделируемых программно-технических
средств по критерию цены потерь, вызванных реализацией угрозы- безопас
ности эксплуатации тоннельных сооружений;
- алгоритм организации мероприятий по обеспечению безопасности и
управления риском эксплуатации автодорожных развязок тоннельного типа.
Научная значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанный комплекс моделей и алгоритмов, позволяет научно-обоснованно формировать информационные системы управления надежностью программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений, на основе моделирования протекающих в них информационных процессов на этапе эксплуатации с учетом возрастающего влияния человеческого фактора.
Практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что в ней разработано научно-методическое обеспечение моделирования информационных процессов управления надежностью программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации туннельных сооружений в условиях мегаполиса и подготовки контингента органов
управления, которое приводит к повышению безопасности эксплуатации автомобильных развязок.
Достоверность основных научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается обоснованностью исходных данных и принятых ограничений; корректностью постановки научной задачи исследования и выбором апробированных методов ее решения, включающих современные методы системного анализа, информационного менеджмента, теории вероятностей и отвечающих сущности исследуемых процессов; а также сходимостью результатов, полученных в процессе проведения имитационных экспериментов, командно-штабных учений, натурного моделирования на экспериментальных участках тоннелей и в учебно-тренажерных классах, с результатами математического моделирования.
Личный вклад. Все теоретические и практические результаты, а также выводы, основанные на натурном моделировании, получены автором лично.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Межведомственных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ-СИ, «Телекоммуникационные и вычислительные системы» в рамках международного форума «Телекоммуникационные и вычислительные системы» в рамках международного форума информатизации (МИФИ - 2004), международного конгресса «Коммуникационные технологии и сети» (CTN - 2004), на Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь - 2005», ВИ МВД России, г. Воронеж, международной конференции «Системы безопасности - 2006», АГПС МЧС России, г. Москва.
Публикации. Основные результаты работы отражены в 11 публикациях, в том числе 2 статьях в научных изданиях по перечню ВАК, рекомендованных для опубликования основных результатов диссертаций.
В работах, выполненных в соавторстве, автором лично выполнено: в работах /36, 37/ сформулирована идея интегрирования разнородных информационных процессов как основы построения системы управления безопасностью тоннельных объектов; в работах /6, 8, 9/ предложены подходы к управлению надежностью технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуата-
ции тоннельных сооружений мегаполиса, основанные на классификации моделируемых программно-технических средств по критерию цены потерь, вызванных реализацией угрозы безопасности тоннельных сооружений; в работе 111 предложена модель, учитывающая специфику информационных процессов управления надежностью современных ПТС АРТТ; в работах /5, 107/ сформулированы принципы оценки уровня надежности технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации городских тоннельных сооружений, и выполнена численная оценка состояния комплексной безопасности технологически сложных объектов на примере тоннельных путепроводов.
Реализация результатов диссертационной работы представлена в виде информационной системы управления надежностью, созданной на базе надсистемы «Рубеж-34» и внедренной в Лефортовском тоннеле, а также в виде методики проектирования информационной системы управления надежностью программно-технических средств комплексной безопасности «Рубеж-9» на основе микросхем сверхбольшой степени интеграции, внедренной в научно-производственном объединении «Сигма-ИС» и в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российского нового университета и др.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из списка сокращений, введения, трех разделов, заключения, библиографии и трех приложений. Объем работы: 166 листов, включая 21 лист таблиц и рисунков, 15 листов библиографии (133 наименования), приложения на 60-ти листах.
Во введении диссертационной работы дается обоснование актуальности темы исследования, излагаются цель и задачи работы, показывается ее научная новизна.
В первом разделе сформулированы основные положения анализа процесса функционирования автодорожной развязки тоннельного типа. Построены теоретико-множественная и вероятностная модели обеспечения безопасности и управления риском эксплуатации автодорожной развязки тоннельного типа. Осуществлено исследование системных свойств и характеристик технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации АРТТ, определены технические требования, предъявляемые к их надежности, на основании которых определены критерии качества управления надежностью ТСБТ. На основании результатов моделирования проведена де-
композиция технических средств на структурные элементы, для которых разработаны типовые структурные схемы надежности (ССН), позволяющие оценивать ее уровень на всех этапах жизненного цикла исследуемого объекта. Разработан алгоритм анализа и синтеза мероприятий по обеспечению безопасности и управления риском эксплуатации автодорожных развязок тоннельного типа с учетом конечной цели по повышению качества, устойчивости и оперативности управления надежностью технических средств. В конце раздела определены показатели и критерии эффективности применения информационных систем управления надежностью ТСБТ на этапах эксплуатации, ремонта и модернизации и осуществлена постановка задачи исследований.
Во втором разделе приведены результаты моделирования процессов управления надежностью программно-технических средств и выбора критериальных параметров при управлении их надежностью. В нем представлены методы выбора критериальных параметров ТСБТ. Выбраны критерии контроля расходования ресурса ТСБТ и разработан подход к планированию межремонтных сроков. Осуществлено концептуальное моделирование автодорожной развязки тоннельного типа, на основании которого разработано пять принципов оценки уровня надежности технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений. Разработанные принципы легли в основу предложенных направлений выбора критериальных параметров. Предложена технология синтеза информационной системы управления надежностью технических средств. Разработаны методы классификации объектов информационной системы управления надежностью ТСБТ по критериям степень детализации расчетной модели объекта и порог различимости цены отказа для каждой информационной единицы.
В третьем разделе отражены результаты разработки научно-методических основ обеспечения безопасности эксплуатации программно-технических средств. Представлены основные теоретические положения методики планирования сроков ремонтно-восстановительных работ ТСБТ и даны рекомендации по ее практическому использованию. Дан новый подход к анализу отказов ТСБТ, основанный на рекурсивной математической модели роста информации об отказе. На основе предложенного подхода разработана
методика анализа отказов ТСБТ, типовые формы их документальной регистрации и алгоритмы обработки первичной информации. Приведена методика моделирования процессов подготовки информации для системы логистической поддержки эксплуатации и сервисного обслуживания ТСБТ, направленная на повышение качества управления АРТТ за счет применения методов логистики при управлении информационными потоками, связанными с обеспечением безопасности и управления риском эксплуатации АРТТ. С целью подготовки инструмента для технико-экономического анализа результатов использования предложенных в диссертационной работе моделей, предложена методика оценки технико-экономической эффективности разработки и нормативных документов
В заключении сформулированы основные выводы и результаты исследования по теме диссертации, предложено направление дальнейших исследований, отмечена степень реализации результатов, а также приведен обзор публикаций по теме диссертации.
В приложении А приведено описание практической проверки адекватности полученных теоретических результатов реальным условиям эксплуатации ТСБТ. Представлены результаты имитационных экспериментов с отказами и восстановлениями технических средств на участке Лефортовского тоннеля, которые сопоставлены с данными по отказам, собранными в эксплуатационных организациях г. Москвы. Получена оценка показателей, характеризующих проектный и текущий уровень надежности ТСБТ на участке Лефортовского тоннеля, по которым осуществляется управление их надежностью.
В приложении Б приведены математические модели и набор типовых структурных схем надежности, упрощающих моделирование и расчет показателей надежности ТСБТ а также снижающих затраты на управление надежностью.
В приложении В дано краткое описание технических средств, являющихся средой функционирования программно-технических средств и обеспечивающих надежность эксплуатации Лефортовского тоннеля г. Москвы, характеристики которых использовались в диссертационной работе при моделировании уровня надежности аппаратуры, размещенной в этом тоннеле.
Характеристики программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных путепроводов
В данной работе под программно-техническими средствами, обеспечивающими безопасность эксплуатации тоннельных путепроводов, понимаются средства, осуществляющие контроль и управление технологическими процессами поддержания пропускной способности тоннеля на проектном уровне, и осуществляющие передачу информации об их состоянии по каналам связи в дежурно-диспетчерскую службу (ДДС) для последующей обработки с целью оценки, предвидения и ликвидации последствий воздействия деста билизирующих факторов (ДФ) в реальном времени, а также для передачи информации о прогнозе и факте возникновения нештатных и чрезвычайных ситуаций (НШС и ЧС), в том числе вызванных террористическими актами, в единую дежурно-диспетчерскую систему (ЕДДС). Целевой функцией ТСБТ является обеспечение гарантированной устойчивости и требуемого качества функционирования системы процессов жизнеобеспечения на контролируемых объектах и предоставление информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации НШС и ЧС диспетчерами ДДС автодорожных развязок тоннельного типа и ЕДДС в условиях действия ДФ. Взаимодействие ТСБТ с указанными службами и контролируемыми объектами пояснено на рис. 1.2.1, из которого видно, ДДС, ЕДДС, ДФ и контролируемые объекты являются для ТСБТ внешней средой или средой функционирования/21, 123/.
Объектами контроля, а в ряде случаев и управления, являются подсистемы жизнеобеспечения и безопасности: теплоснабжение; вентиляция и кондиционирование; водоснабжение и канализация; электроснабжение; газоснабжение; инженерно-технический комплекс пожарной безопасности объекта; лифтовое оборудование; система оповещения; системы охранной сиг нализации и видеонаблюдения; системы обнаружения повышенного уровня радиации, аварийных химически-опасных веществ, биологически-опасных веществ, значительной концентрации токсичных и взрывоопасных концентраций газо-воздушных смесей и др.
Объектами контроля также являются инженерно-технические конструкции (конструктивные элементы) объектов автодорожной развязки.
Воздействие на ТСБТ и контролируемые объекты дестабилизирующих факторов является угрозой качественному и устойчивому функционированию транспортной развязки и безопасности ее эксплуатации. Поэтому ТСБТ должны обеспечивать возможность оценки и контроля следующих основных угроз: - возникновения пожара; - нарушения в системе отопления, подачи горячей и холодной воды, вызванные выходом из строя инженерного оборудования на центральных тепловых пунктах, котельных, а также авариями на трубопроводах и приборах отопления; - нарушения в подаче электроэнергии; - нарушения в подаче газа; - отказа в работе противопожарного оборудования; - несанкционированного проникновения в служебные помещения; - повышенного уровня радиации, предельно допустимой концентрации аварийных химически-опасных веществ; биологически-опасных веществ; взрывоопасных концентраций газо-воздушных смесей; - затопления помещений, дренажных систем и технологических приямков; - утечки газа; - отклонений от нормативных параметров производственных процессов, способных привести к возникновению чрезвычайных ситуаций; - изменения состояния инженерно-технических конструкций (конст руктивных элементов) объектов;
Постановка задачи исследований
Как было указано во введении, цель исследования заключается в повышении качества и устойчивости управления технологическими процессами эксплуатации, ремонта и модернизации автомобильных развязок тоннельного типа за счет использования в практической работе разработанных в диссертации моделей процессов управления надежностью ТСБТ. Для достижения поставленной цели необходимо решить целый ряд задач, ключевой из которых является поставленная в данной диссертации научная задача.
Научная задача, поставленная в диссертации, сформулирована как задача разработки научно-методических положений и рекомендаций по технологии синтеза моделей процессов управления надежностью ТСБТ и информационных систем управления их надежностью на базе разработанных математических, информационных, имитационных моделей, а также натурного моделирования. Эта задача относится к проблематике моделирования реальных ситуаций в работе организаций и отработки бизнес-процессов. В настоящее время существует огромное множество различных методов моделирования /21, 57, 62, 71, 72, 73, 87, 88, 89 - 91, 93, 94/ и поэтому предпринимаются попытки создать стандартизированные концепции (архитектуры) для процесса разработки информационных систем и методов моделирования.
Методика решения задачи исследований основана на идее интеграции различных типов моделей. Содержимое типов моделей может быть описано методами, предназначенными для конкретного типа применения. Многочисленные взаимосвязи между типами моделей при этом не учитываются. Впоследствии эти взаимосвязи инкорпорируются в общую модель для анализа всего процесса без какой-либо избыточности.
В данной работе выбрана в качестве базовой концепция моделирования, разработанная министерством обороны РФ /93, 94/. Кроме того, при постановке задачи исследований планировалось дополнить указанную концепцию некоторыми положениями концепции, разработанной проф. Шеером: Архитектура Интегрированных Информационных Систем - ARIS (Architecture of Integrated Information Systems).
Условия и ограничения исследований состоят главным образом в том, чтобы применить разработанные модели в практической работе по управлению АРТТ с инсталляцией их непосредственно на интегрированные комплексы обеспечения безопасности эксплуатации АРТТ за счет использования управляюще-вычислительного ресурса комплексов. Поэтому объектом исследования выбраны интегрированные комплексы обеспечения безопасности эксплуатации сложных технических систем, в частности АРТТ, а предметом исследования является технология синтеза моделей процессов управления надежностью ТСБТ АРТТ, базирующаяся на принципиально новом подходе к организации процесса управления надежностью. Суть этого подхода заключается в использовании методов логистики для управления потоками управляющей информации на стыке двух систем: ИСУН и системы логистической поддержки системы технической эксплуатации ТСБТ.
В ходе решения сформулированной научной задачи необходимо решить целый ряд частных взаимосвязанных задач, основными из которых являются следующие: - разработка модели обеспечения безопасности и управления риском эксплуатации автодорожной развязки тоннельного типа; - разработка метода классификации моделируемых объектов по критерию цены потерь, вызванных реализацией угрозы безопасности эксплуатации тоннельных сооружений; - разработка алгоритма анализа и синтеза мероприятий по обеспечению безопасности и управления риском эксплуатации автодорожных развязок тоннельного типа.
При решении перечисленных частных задач необходимо учитывать: - специфику информационных процессов управления надежностью со временных программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации сложных технических стратегически важных объектов; - факторы, определяющие характеристики персонала эксплуатирующей организации; - требования к формированию базы данных, необходимых для обучения лиц, принимающих управленческие решения. Учет в ходе исследований перечисленных факторов позволяет приблизиться к достижению конечной цели исследований: повышению качества, устойчивости и оперативности управления надежностью программно-технических средств.
Выводы по первому разделу
Разработанная модель функционирования автомобильной транспортной развязки тоннельного типа позволяет в самом общем виде выявлять взаимосвязь безопасности эксплуатации развязки с надежностью технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации. Показано, что эту взаимосвязь можно анализировать с учетом дестабилизирующих процесс эксплуатации воздействий, решений, мер и мероприятий по ликвидации негативных последствий от проявления воздействующих факторов, задействованных технических средств, временных интервалов во взаимосвязи с другими факторами, в частности, с источниками угроз и угрозами, определяющими качество и устойчивость обеспечения безопасности эксплуатации АРТТ.
Построение модели информационной системы управления надежностью программно-технических средств
Одним из важных и практически значимых результатов проведенных теоретических исследований, которые представлены в разделе 1, стала процессная модель информационной системы управления надежностью ТСБТ, упрощенная графическая интерпретация которой приведена на рис. 2.2.1. Эту модель, следуя выбранной в разделе 1.5 концепции, следует отнести к классу информационных моделей (по ARIS - состояния и события формируют представление данных или информационную модель). Как следует рисунка 2.2.1, одним из критериев оценки качества управления надежностью программно-технических средств, является степень соответствия применяемых при управлении надежностью процедур требованиям стандартам семейства ИСО 9000. Использование этого критерия позволяет: - улучшить (как это показывает опыт /19, 30, 56, 129/) управление надежностью; - сертифицировать систему управления надежностью на соответствие требованиям к системам менеджмента качества, что существенно облегчает вычисление рисков по формулам (1.1.9), (1.1.10) благодаря документальной регистрации всех информационных единиц, имеющих отношение к процессу управления надежностью; - подготовить ИСУН к аудиту на соответствие требованиям стандартов по менеджменту рисков, что делает результаты данного исследования пригодными для использования не только в России, но и в других странах.
Разработанные принципы оценки уровня надежности ТСБТ предполагают, в частности, внедрение системы менеджмента качества в систему тех нической эксплуатации ТСБТ, что, в свою очередь, предполагает создание функциональной (по ARIS) модели ИСУН, графическая интерпретация которой представлена в обобщенном виде на рис. 2.2.2.
Целевая функция ИСУН (рис. 2.2.2) заключается в сборе текущей информации о надежности функционирования ТСБТ, поступающей из АСУ нижнего уровня автоматизированной системы обеспечения безопасности тоннеля (АСУ-Н), ее многоуровневом анализе и синтезе, по критерию «уровень надежности технических средств», подготовке комплекса корректирующих и предупреждающих действий (мероприятий) по поддержанию уровня надежности на проектном уровне. Входом системы является осведомительная информация из АСУ-Н, характеризующая уровень надежности ТСБТ, выходом - управляющая информация для системы логистической поддержки технического и сервисного обслуживания (ремонта) ТСБТ. Основным выходным продуктом ИСУН является программа обеспечения надежности, программа обеспечения качества и данные для оптимизации сроков технического обслуживания, сервисного обслуживания и межремонтных сроков.
Функциональная модель ИСУН предполагает выполнение следующих основных функций: - оценка проектного уровня интенсивности отказов пространственно разнесенных вдоль тоннеля программно-аппаратных средств; - оценка эксплуатационного уровня интенсивности отказов ТСБТ; - сопоставление значений проектного и эксплуатационного показателей надежности и подготовка информации для принятия решений, связанных с устранением «слабых мест» и поддержанием надежности ТСБТ на заданном уровне.
Остальные функции, подфункции и связи между ними раскрываются в следующих разделах.
Организационное представление или организационная модель ИСУН представляет собой совокупность организационных единиц, их взаимосвязей и соответствующих структур. В данной работе организационная модель не исследовалась и в качестве нее использовались организационные структуры, показанные на рис. 1.4.1.
Модель ресурсов ИСУН строилась на основе ИАСУ с учетом ее вычислительно-управляющего потенциала и упомянутых выше ограничений.
Таким образом, модель ИСУН построена согласно выбранной концепции в виде простых моделей: информационной, функциональной и модели ресурсов, содержание которых раскрыто в следующих разделах.
Анализ отказов программно-технических средств, обеспечивающих безопасность эксплуатации тоннельных сооружений
Известно, что анализ отказов является одним из ключевых вопросов в работах, касающихся вопросов расчета и обеспечения надежности /16, 133/. Положительный эффект от исследований отказавших элементов настолько велик, что в настоящее время почти каждая организация имеет подразделение, занимающееся анализом и выяснением точных причин отказов /51, 52, 56/. Особое место занимает анализ отказов при управлении системами технической эксплуатации (СТЭ) крупных объектов большой протяженности, поскольку эти системы, во-первых, являются как правило объектами особой государственной важности и, во-вторых, принадлежат к сфере объектов повышенной опасности /28/. Эти две особенности функционирования характерны и для СТЭ АРТТ, которая относится к таким объектам.
Всякая система управления строится в виде замкнутого информационного цикла, в который входят следующие процедуры: сбор и анализ данных; принятие решения и его реализация /20, 24, 30/. В эффективно работающей системе управления обеспечивается постоянная циркуляция информации по этому циклу, поэтому даже не совсем правильные решения будут скорректированы и получен требуемый результат. Слабость любого звена делает неэффективной всю цепь управления. Например, могут быть исчерпывающие данные о состоянии дел, но решения принимаются на основе интуиции руководителя с игнорированием статистических данных.
Развитию службы анализа отказов необходимо уделять самое пристальное внимание. Однако, непосредственное использование сложившихся в настоящее время на АРТТ методов анализа отказов в СТЭ не даст нужного эффекта по следующим причинам: - технические средства крайне разнородны по своему составу и включают в себя как механические элементы кабельной системы (КС), так и сложнейшие микроэлектронные изделия электронного оборудования; - ремонт и техническое обслуживание ТСБТ является новой технологией и требует не только освоения этой технологии, но и соответствующей коррекции ранее созданных методик документальной регистрации и анализа отказов; - усложнение ТСБТ приводит к резкому росту объема информации, извлекаемой из сообщений об отказе, которые поступают из разных служб, мест и в разное время; рационально разместить этот объем в известных формах представления данных об отказах не представляется возможным (формально такая возможность существует, но ее реализация приводит к формальному отношению к регистрации и анализу отказов и материальным потерям, вызванных таким отношением); - сложившаяся система анализа отказов не имеет связи с системой принятия решений при управлении СТЭ, что существенно снижает ее пропускную способность и делает СТЭ недопустимо уязвимой при массовых отказах, вызванных чрезвычайными обстоятельствами (стихийные бедствия, техногенные катастрофы, терроризм и т.п.).
В рамках данной работы была поставлена и решена задача разработки методики анализа отказов ТСБТ, учитывающей перечисленные выше осо 120 бенности, а также государственную важность этого технического объекта, в рамках общей проблемы организации анализа отказов на транспорте.
Задача решалась в два этапа.
На первом этапе было проведено исследование известных подходов к анализу отказов оборудования АРТТ, на основании которого разработана математическая модель, позволяющая выяснить основные закономерности работы этой системы и определить требования к создаваемой методике анализа отказов оборудования АРТТ (в том числе и ТСБТ).
На втором этапе была разработана и проверена на практике при анализе отказов ТСБТ общая концепция регистрации и анализа отказов, на основе которой и создана предложенная в данной работе методика.
В результате проведенного исследования особенностей работы существующей на транспорте системы регистрации и анализа отказов установлено, что, несмотря на принимаемые меры, число отказов технических средств продолжает расти /51, 52/. Для выяснения причины этого явления была разработана математическая модель, позволяющая представить достаточно сложные и не очевидные реальные процессы в виде простого одномерного процесса. За методологическую основу математического моделирования принят известный /44, 48, 132/ и хорошо себя зарекомендовавший при решении подобных задач подход, в рамках которого технические средства и технический персонал регистрирующие и анализирующие отказы представляются информационной системой /82/ с пропускной способностью Go : Go = G aj ( 2 аз(аі, аг) , (3.2.1) где «у - понижающий коэффициент, обусловленный недостаточностью квалификации и способностей технического персонала, выполнявшего обработку сообщения; «2 - понижающий коэффициент, обусловленный сложностью программно-аппаратных средств и низкой эргономичностью формообразующих компонент документальной регистрации данных; as(a\, aj ) — коэффициент учета перцептивной нагрузки на персонал, который в общем случае зависит от величины первых двух коэффициентов.
