Содержание к диссертации
Введение
1. Информационная диналінческая модель надёжности технического комплекса в процессе его создания 16
1.1. Положения информационно-системной формализации процесса создания технического комплекса (ТК) заданной надёжности 18
1.2. Информационная динамическая модель надёжности (ИДМН) разрабатываемого ТК 32
1.3. ИДМН в проектном анализе надёжности ТК. Структура надёжности ТК по проектным этапам 35
1.4. ИДМН в анализе надёжности ТК на этапах отработки и испытаний. Структура надёжности ТК в процессе отработки и испытаний 43
1.5. Выбор предпочтительного метода оценки показателей надёжности (ПН) ТК 50
Выводы по разделу 1 62
2. Методы и алгоритмы проектной оценки надёжности Т1С 63
2.1. Проектная оценка на основе моделирования надёжностной топологии принципиальных схем конструкций ТК 63
2.1.1. Обоснование метода и алгоритма 63
2.1.2. Пример оценки 70
2.2. Экспертно-статистическая оценка надёжности ТК 70
2.2.1. Обоснование метода и алгоритма 70
2.2.2. Пример оценки 76
2.3. Проектная оценка надёжности ТК с использованием процедур статистического моделирования 77
2.3.1, Обоснование метода и алгоритма 77
2.3.2. Повышение эффективности процедуры статистического моделирования в алгоритме проектной оценки надёжности ТК 83
2.3.3. Пример оценки 93
Выводы по разделу 2 106
3. Методы и алгоритмы оценки надёжности ТК в процессе опытной от работки и испытаний 108
3.1. Модели оценки ПНТК в процессе отработки и испытаний 108
3.2. Обоснование использования рекуррентной и аппроксимационной моделей оценки ПНТК в процессе отработки и испытаний 118
3.3. Методика оценки ТК в процессе отработки и испытаний 125
3.4. Примеры оценки ПН отрабатываемого ТК 133
Выводы по разделу 3 136
4. Точность, достоверность и эффективность оценки надёжности ТК в процессе проектировании, отработки и испытаний 139
4.1. Факторы, определяющие точность и достоверность оценки надёжности ТК в процессе проектирования 139
4.2. Особенности анализа точности и достоверности оценки ПН ТК по факторам 7-й и 2-й группы 140
4.3. Повышение точности, достоверности и эффективности оценки надёжности ТК по этапам создания 146
Выводы по разделу 4 149
5. Обобшённый алгоритм и автоматизация оценки надёжности ТК в процессе его создания 151
5.1. Принципы автоматизации оценки надёжности ТК 151
5.2. Автоматизация оценки ПН ТК по результатам опытной отработки и испытаний 156
Выводы по разделу 5 162
Заключение 163
Литература 167
- Положения информационно-системной формализации процесса создания технического комплекса (ТК) заданной надёжности
- Проектная оценка на основе моделирования надёжностной топологии принципиальных схем конструкций ТК
- Модели оценки ПНТК в процессе отработки и испытаний
- Факторы, определяющие точность и достоверность оценки надёжности ТК в процессе проектирования
Введение к работе
Технические комплексы (ТК) развиваются в направлении повышения эффективности использования, улучшения качества образцов ТК, роста тактико-технических характеристик. Это достигается совершенствованием конструкций, реализацией в них новых физических принципов действия, новых технических и технологических идей и решений. Одновременно, развитие ТК сопровождается проявлением таких общих тенденций как усложнение техники, её удорожание, актуализация решаемых ею задач и повышение ответственности действий. С этим связано и постоянное возрастание требований к надёжности ТК, интегрально характеризующей качество ТК и отслеживающей техническое состояние ТК во времени.
Надёжность ТК всегда была одной из основных инженерных проблем и ей всегда уделялось большое внимание. Однако, в последнее время проблема надёжности значительно обострилась и приобрела более тяжелую форму. Это обусловлено, главным образом, следующими основными причинами:
1. Увеличением сложности ТК. Современные ТК могут включать до 104-106 и более элементов [47]. Например, системы управления современными межконтинентальными баллистическими ракетами содержат от 300 тысяч до 1,5 миллионов отдельных элементов. Системы автоматического управления современными производствами содержат от 70 до 250 тысяч компонентов [47]. Усложнение ТК закономерно приводит к снижению его надёжности (чем больше элементов, тем больше вероятность того, что хотя бы один из них окажется неработоспособным).
2. Повышением интенсивности режимов работы. Режимы эксплуатации современных ТК характеризуются высокими и сверхвысокими скоростями, температурами и давлениями. Например [47], удельный вес двигателей внутреннего сгорания в 1900 году составлял 250 кг/л.с., в 1913 - 150, в 1931 - 60, 1953 - 31, в 1954 -10,5, в 1955 - 3,2, в 1958 (двигатель М-21А) - 2,07, в 1968 (двигатель М-24Д) - 1,39, т.е. за неполные 70 лет интенсивность эксплуатационных режимов увеличилась в 180 раз.
3. Сложностью условий эксплуатации. Современный ТК эксплуатируется в широких диапазонах температур, в вакууме, при влажности до 100%, при вибрации с большими амплитудами в широком спектре частот, при высоких линейных ускорениях и динамических нагрузках (до 20000g), при высоком уровне радиации и т.д. Это приводит к тому, что интенсивности отказов элементов и систем могут возрасти в сотни и тысячи раз но сравнению с обычными условиями.
4. Повышением требований к восстанавливаемости и ремонтопригодности. На ремонт и восстановление отказавших ТК затрачиваются большие трудовые и материальные ресурсы: трудоемкость изготовления одного нового грузового автомобиля составляет примерно 150 часов, а его капитального ремонта - 500-600 часов [47]. За весь период эксплуатации затраты па запасные части, ремонт и техническое обслуживание превышает стоимость нового оборудования [47]; машин и станков - в 5-12 раз, радиотехнической аппаратуры - в 10-12 раз, самолетов - в 5 раз, автомобилей - в 6 раз, военной техники - примерно в 20 раз. В некоторых отраслях машиностроения до 75% производственных мощностей заняты ремонтом ТК, который выпускается на остальных 25% [47]. На восстановление ТК ежегодно тратится около 20% черных металлов [47]. Ежегодные затраты на техническое обслуживание некоторых видов военной техники в два раза превышают её стоимость.
5. Усилением ответственности выполняемых функций. Отказы МНОГИХ современных технических систем могут привести к катастрофическим последствиям, крупным техническим и экономическим потерям. Часто экономический ущерб в сотни, тысячи и миллионы раз превышает стоимость вышедшего из строя оборудования. Например [47], отказ одной из систем контроля привел к катастрофе на Чернобыльской АЭС. В США отказ одного элемента стоимостью 5 долларов сорвал запуск спутника стоимостью около 8 млн. долларов.
6. Автоматизацией Процессов производства. Автоматизация предполагает отсутствие постоянного непосредствен и ого наблюдения и контроля за течением процессов со стороны операторов, что предъявляет дополнительные требования к качеству функционирования и надёжности оборудования, в том числе систем диагностирования и управления его техническим состоянием.
Одно из основных противоречий в развитии ТК заключается в том, что увеличение сложности и связанное с ним снижение надёжности ТК сопровождается повышением требований к надёжности.
Особенностью проблемы надёжности является её связь со всеми этапами «жизненного цикла» технического объекта от зарождения идеи создания до списания: при расчёте и проектировании надёжность закладыва ется в проект, при изготовлении обеспечивается, при эксплуатации реализуется. Поэтому проблема надёжности - комплексная проблема, и решать её необходимо на всех этапах «жизненного цикла».
Этапы создания сложных ТК, с точки зрения затрат средств и времени, неодинаковы. Так, если все расходы, связанные с выполнением программы по созданию изделия, принять за 100 %, то на разработку технического задания и эскизное проектирование расходуют не более 5-10 % выделенных средств, на техническое проектирование 10-20%, на изготовление и опытную отработку приходится 70-85% [50].
Соответственно длительность изготовления и опытная отработка изделия существенно превышает продолжительность этапа проектирования. Общее время создания сложного ТК, в среднем, составляет 5-7 лет, из них проектирование — не более 2 лет [50].
Практика показывает, что с увеличением сложности создаваемого ТК соответственно растёт доля расходов средств и времени на опытную отработку.
Наряду с затягиванием сроков сдачи образцов заказчику, зачастую, заказчиком принимается некондиционная продукция по надёжностным характеристикам, принимается продукция без достаточного подтверждения соответствия образцов требованиям технического задания (ТЗ) по надёжностным показателям.
Причины обсуждаемого противоречия заключаются в несовершенстве методологии и инструментария анализа, оценки и обеспечения надёжности, используемых как на этапах создания, так и других стадиях жизненного цикла ТК. Это приводит к неопределённости и отсутствию достаточной гарантии в достигнутом уровне надёжности создаваемых образцов ТК, к затягиванию процесса отработки изделия, к трудностям, с которыми постоянно сталкивается заказчик при приёмке и разработчик при сдаче продукции. Заказчик и разработчик вынуждены преодолевать возникающие между ними противоречия, в конечном итоге, принятием субъектив них решений о соответствии образцов требованиям ТЗ по надёжности.
Субъективизм в принятии решения, в свою очередь, приводит к нерациональному расходованию средств на обеспечение надёжности изделий при их разработке, производстве и эксплуатации. Очевидно, разрешение данного противоречия имеет важное практическое значение.
Ситуация в последнее время обострилась из-за возросшей необходимости своевременного гарантированного оценивания надёжности создаваемых изделий. Это отразилось, прежде всего, в возросшей «жёсткости» требований ТЗ к ПН создаваемых изделий. Требования в ТЗ к ПН задаются в интервальной форме. В свою очередь, интервальная форма задания требований к ПН предполагает точное и достоверное оценивание достигнутого уровня надёжности создаваемого изделия.
Повысить оперативность решения задач точного и достоверного анализа и оценки надёжности на этапах НИОКР, ускорить обмен достоверной информацией в процессе создания изделия только за счёт средств сложившейся отраслевой методической, инструментальной и информационной базы не представляется возможным. Нужны дополнительные теоретические основы для её развития.
Поиск выхода из сложившегося положения показал, что построить с единых методологических позиций эффективную систему методов и средств точного и достоверного анализа надёжности создаваемых образцов ТК, при максимальном сохранении имеющегося опыта, можно на основе использования информационно-системного подхода [4]. Для разработки такого подхода необходимые теоретические и прикладные предпосылки имеются. Они накоплены как в области фундаментальных наук, так и в общетехнических областях. Проблема решается на пересечении представлений теории информации, теории систем, теории надёжности, теории проектирования изделий ТК в русле преобразований, связанных с информатизацией, затронувшей все передовые отрасли. При этом, теория информации, развивающая классическое понятие информации, введённое Р.Шенноном, в направлении представлений о ценности, полезности информации, представлений динамической теории информации об эволюции информации, представлений о связи информации с синергетикой (самоорганизацией), приводит к пониманию связи информационных мер с уровнями организованности, упорядоченности сложных систем, сложных процессов управления. Подобные представления во взаимосвязи с методологией теории систем составили основания для рассмотрения создания TIC заданной надёжности как сложной динамической информационной системы, для формализации информационного процесса анализа и оценки надёжности ТК на этапах его создания. Формализация включает обоснование исходных методологических положений, информационно-системной модели процесса разработки ТК заданной надёжности и информационной динамической модели надёжности создаваемого ТК. Перечисленное составляет необходимую теоретическую основу разработки эффективной системы организационных, методических, математических и программных средств для проведения точного и достоверного анализа надёжности создаваемых образцов ТК.
Сущность информационных технологий состоит в сборе, накоплении, систематизации, хранении и переработке информации, отражающей диалектический характер эволюции объекта анализа, оценки и обеспечения надёжности по проектным стадиям и этапам жизненного цикла, отражающих его системные свойства, его генезис, а также учитывающих требования точности, достоверности и эффективности преобразования информации. Динамический характер разработки изделия (последовательное формирование описания), эволюция информационной обеспеченности анализа и оценки надёжности предопределяют соответствующую научно-обоснованную организацию информационного процесса и управление им. Научная организация информационного процесса, обосновывая рациональную систему показателей надёжности, методов анализа и оценки надёжности, мероприятий по обеспечению надёжности по этапам разработки изделия, в свою очередь, позволяет органично связать систему задания, оценки и контроля надёжности с собственно процессом проектирования - с задачами обоснования оптимальных принципиальных схемных решений, структурной и параметрической оптимизации конструктивных решений, задачами отработки конструкции. Обобщая изложенное, можно сделать вывод, что современная информационная технология предполагает целостную систему методологических представлений по информационным основаниям задания, оценки, контроля и обеспечения надёжности ТК, рассматриваемых в неразрывной, диалектической взаимосвязанности с процессом создания изделия.
Таким образом, для разрешения обсуждаемого противоречия должна быть решена актуальная научная проблема, состоящая в разработке информационно-системных основ анализа и оценки надёжности ТК на этапах его создания. При этом, необходимы как совершенствование методологических положений анализа и оценки надёжности ТК на указанной стадии жизненного цикла, так и создание адекватных методических, алгоритмических и программных средств, обеспечивающих проведение научно-обоснованного, точного и достоверного оценивания достигнутого уровня надёжности на проектных этапах.
Решение ряда актуальных задач по данной научной проблеме, связанных с повышением точности, достоверности и эффективности оценки надёжности ТК и их агрегатов, является целью диссертации.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
- информационно-системная формализация процесса создания ТК, заданной надёжности, включающая информационную динамическую модель надёжности (ИДМН) создаваемого ТК;
- разработка методов и алгоритмов эффективной проектной оценки надёжности ТК на этапах его создания;
- разработка методов и алгоритмов точной и достоверной оценки надёжности ТК в процессе опытной отработки и испытаний;
- разработка модели корректировки достоверности оценки надёжно сти ТК в процессе проектирования, опытной отработки и испытаний;
- разработка обобщённого алгоритма, принципов автоматизации и программного обеспечения точной и достоверной оценки надёжности ТК на этапах его создания.
Указанная цель достигается изложением методологических положений, моделей, методов и алгоритмов как в обобщённом виде, так и в конкретном приложении к различным образцам ТК на всех этапах НИОКР. Конкретизация результатов исследований обусловила определённое «сужение» рассматриваемого в диссертации класса ТК. В диссертации рассматриваются ТК, составляющие класс изделий, характеризующися многократным циклическим действием, высокими динамическими нагрузками, сложными условиями и режимами работы и включающие в себя разнородные подсистемы (автоматические, механические, гидро- , пневмо-, электромеханические агрегаты и подсистемы).
Основные задачи диссертации решались на основе использования положений теории информации и её современных направлений, теории систем, теории проектирования ТК, теории надёжности. Также привлекались методы теории вероятностей и математической статистики, методы теории эффективности сложных систем, методы теории чувствительности, теории подобия, экспертные методы, методы статистического моделирования, Решение конкретных задач проводилось на ЭВМ с использованием стандартных и созданных в процессе работы программных средств.
Необходимо указать на те положения, в пределах которых достигается целостность выстраиваемой в диссертации системы представлений:
- адекватность рассматриваемого информационного процесса анализа и оценки надёжности ТК эволюции формирования описания проектируемого изделия по проектным стадиям и процесса его реализации по этапам жизненного цикла;
- «интегрируемость» показателями надёжности основных технических характеристик (ТХ) изделия (надёжность рассматривается как каче ство, развёрнутое во времени).
В ходе решения основных задач диссертации автором получены следующие научные результаты, выносимые на защиту:
1. Информационная динамическая модель надёжности ТК.
2. Методы и алгоритмы проектной оценки надёжности создаваемого ТК, включающие: метод, использующий анализ надёжностной топологии принципиальных схем конструкций ТК; экспертно-статистический метод оценки надёжности ТК; метод проектной оценки надёжности ТК с использованием процедур статистического моделирования,
3. Модели, методы и алгоритмы оценки надёжности ТК в процессе отработки и испытаний, включающие модели изменения надёжности ТК (рекуррентная и аппроксимационная модель).
4. Метод анализа точности и достоверности оценки надёжности ТК с использованием представлений о факторах, определяющих точность и достоверность оценки в «информационной системе координат» текущего проектного этапа, и о факторах, определяющих точность и достоверность оценки в «информационной системе координат» завершающего этапа создания ТК.
5. Алгоритм инженерной методики, обобщающий рассмотренные в диссертации модели и методы точной и достоверной оценки надёжности ТК на этапах его создания, и программное обеспечение, разработанное в среде Matlab и MahtCad.
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается:
- в разработке методологических и алгоритмических средств анализа и оценки гарантированного (по точности и достоверности) уровня надёжности образцов ТК на этапах его создания на основе информационно-системного подхода;
- в обобщении разработанных в диссертации моделей и методов в виде обобщённого алгоритма инженерной методики точной, достоверной и эффективной оценки надёжности ТК на этапах его создания;
- в разработке программного обеспечения реализации обобщённого алгоритма с использованием пакетов программ (MATLAB, MATCAD).
Достоинство работы состоит в том, что:
1. Создана эффективная целостная информационная система анализа и оценки надёжности ТК в процессе их проектирования как система инженерная, ориентированная на использование непосредственно разработчиками образцов ТК в процессе выполнения всех этапов создания, позволяющая оперативно оценивать достигнутый уровень надёжности создаваемого ТК с подтверждением соответствия требованиям ТЗ с заданными точностью и достоверностью оценивания.
2. Разработанные методы анализа и оценки надёжности ТК стимулируют поиск и выработку оптимальных по надёжности проектно-конструкторских решений на всех этапах создания: от сравнительного анализа вариантов принципиальных схемных решений конструкции ТК на начальной стадии создания до раскрытия причин отказов и принятия решений по доработкам конструкции на завершающих этапах проектирования.
Результаты, полученные автором при работе над диссертацией в виде методологических положений, методик, методов, моделей, алгоритмов, программ расчётов на ЭВМ, рекомендаций и предложений, вытекающих из разработанных средств, реализованы в НИР и учебном процессе.
Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, изложенных на 166-и страницах машинописного текста, 35-и рисунках, 9-й таблицах, и приложений.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.
Положения информационно-системной формализации процесса создания технического комплекса (ТК) заданной надёжности
Чтобы подключить дополнительные резервы к решению проблемы достоверной и необходимой точности оценки и обеспечения требуемой надёжности разрабатываемого изделия при заданных ограничениях на ресурсы, целесообразно эти задачи классифицировать не только как относящиеся к теории надёжности [20, 35, 40, 47, 50], но и к теории информации [26, 45, 52, 53, 56], в частности, к таким её направлениям, как динамическая (синергетическая) теория информации [59], информационная теория управления и моделирования [16, 60]. Задачи, рассматриваемые в этих дисциплинах, являются задачами оптимального управления, задачами принятия решений в условиях неопределённости.
Подходы к их решению обусловлены особенностями объектов исследования, понятий, критериев, методов и моделей. Объектами этих дисциплин являются иерархические динамические системы, развивающиеся во времени, изменяющие свои структуры и параметры. Привлечение динамической теории информации и информационной теории управления возможно в связи с эволюционностью процесса разработки изделия, развивающегося в виде последовательности этапов с присущими им методами поиска лучших ко негру кторско-технологических и технико-экономических решений, со своим уровнем представления об объекте, со своими информационными средствами, адекватными этапу. Такой характер процесса разработки отображается в последовательном преобразовании описания проектируемого изделия. Процесс разработки изделия постепенно «продвигается» к окончательному результату, преодолевая промежуточные ступени. Причём, как в процессе выполнения очередного этапа разработки, так и по завершении разработки в целом, успех считается достигнутым, если подтверждается соответствие результатов разработки требованиям ТЗ по всем показателям. Только в этом случае произойдёт переход к выполнению следующего проектного этапа, а по завершении всех этапов разработки изделие будет принято. Нахождение наилучших решений с точки зрения выполнения требований ТЗ к ТХ, в том числе к требованиям надёжности, связано с тем, насколько оптимальны используемые информационные средства на каждом из этапов. Эта зависимость и определяет целесообразность использования рассматриваемых теорий с их принципами преобразования информации. Сближение положений теории надёжности и этих дисциплин позволяет уточнить научные и методические основы обоснования эффективных действий, направленных на достижение требуемой надёжности изделий.
Главным в динамической теории информации и информационной теории управления и моделирования [16] являются изучаемые в них критерии, характеризующие организованность и управляемость сложной системы (системы проектирования) в зависимости от объемов и содержания применяемых информационных ресурсов, количества информации, её ценности, полезности, её стоимости. Функционирование, развитие и само существование искусственной большой системы как единого целого определяется процессами передачи, переработки и преобразования информации. Такое понимание процесса разработки изделия предполагает оперирование представлением о сущности информационных процессов, формализации целей, многообразии связей между организованностью и информацией, количественном учёте ценности информации.
Формализация информационного процесса разработки ТК заданной надёжности предполагает представление проектирования ТК в виде сложной системы с переменной структурой в процессе её функционирования, с циклически повторяющимися этапами в достижении «сквозных» неизменяющихся целей.
Для исследования свойств такой системы введены положения в от 20 ношении: целей функционирования системы; воздействий управления; показателей ценности информации управления и входной информации; операторов преобразования входной информации, операторов преобразования производимых затрат; информационного коэффициента адекватности.
Цели задаются в виде границ областей допустимых значений параметров [ПНу, i = \,n;j = \,s], нахождение внутри которых отвечает достижению цели, и ущербов ЕУ(ПН9) для всех различимых состояний проекта создаваемого образца ТК /7//( &\nHg\9\i = \1n\j = \ts\v = \,m\ за границами допустимых значений показателей надёжности. (Здесь параметрами ПНц являются показатели надёжности создаваемого образца ТК, включённые в ТЗ; п - число показателей надёжности, s - число этапов разработки образца ТК, т - число различимых вариантов проекта разрабатываемого изделия по /-му показателю надёжности на/-м этапе разработки; у - доверительная вероятность нахождения значений ПН в заданных пределах). Полное достижение цели состоит в выполнении условий [4]: Г1)ПН [пн ;/ = 1Я/ = М; І2)ЕДПНд)- - 0. (1.1) Такое рассмотрение ПН ТК вытекает из понимания используемых в данной работе организующих принципов процесса разработки изделия (как это показано во введении): показатели надёжности рассматриваются как интегральные показатели, обобщающие начальное качество изделия (все требования ТЗ выполнены) и сохранение качества с наработкой. Под ущербом ЕІШ(ПНІ}) здесь понимается расчётное значение потери эффективности разрабатываемого образца ТК (для v-ro различимого состояния проекта изделия) вследствие несоответствия значения ПН,Л, требованиям ТЗ. За показатель недостижения цели, учитывающий вероятности появления рассогласования ПН и ПН" (номинальное значение ПН / - матема 21 тическое ожидание значения Я//,, граничное значение ПН, и т.п.) и ущерб от такого рассогласования, принята аддитивная мера неорганизованности функционирования системы проектирования [4]: где ДПН „ =(nilj nilij(,); Pijv - вероятность к-го состояния рассогласова ния ПН(1\ а0 - весовые коэффициенты показателей надёжности, JVy =1. Если функция Оу нормирована, то область её значений О 0у 1. Параметр ДПНи„ может рассматриваться как мера неупорядоченности функционирования системы проектирования по г -му ПН. Функция ін(дпніі(,) отражает связь между ДПНІІ(, и ЕУ(ПН). В основе определения функции Т лежит понимание ущерба ЕУ(ПНУ) как показателя, производного от традиционных для сложных систем ТК критериев эффективности.
Проектная оценка на основе моделирования надёжностной топологии принципиальных схем конструкций ТК
В рассматриваемом методе использованы идеи, высказанные Брави-ным ЕЛ. [6] в отношении применения закона механического подобия в инженерной практике (в типовых импульсных установках). Бравин Е.Л. ввёл более широкие принципы механического подобия в инженерной практике, а именно, развил учение о подобии в виде учения о модулях. «Каковое понятие относится уже не к механически подобным конструкциям, а к конструкциям известного класса, обладающим лишь однородными элементами с некоторыми их вариациями, причем, по значению модуля можно сразу предвидеть типичные особенности проекта». Введённое Бра-виным ЕЛ. понятие о модулях (табл. 2.1) позволяет исследовать видоизменения облика конструкции в пределах её применимости на практике с самой общей точки зрения, независимо от сё размеров и приводит к стандартизации формы её для определенных численных значений модуля.
Сопоставление конструкций современных ТК подтверждает актуальность принципов механического подобия, предложенных Бравипым ЕЛ. Так, использованные в конструкциях ТК средства автоматизации, приводы, устройства транспортирования элемента, его базирования, фиксации, приёмо-передачи и пр. характеризуются реализацией в них традиционных для ТК физических принципов действия, приспособленностью для изготовления в сопоставимых производственных условиях. Перечисленные средства варьируются, в основном, в зависимости от габаритно-массовых соотношений транспортируемых элементов (Э) и характера их перемещения - вида траектории, интенсивности движения.
Учитывая сказанное, в качестве топологических параметров анализируемого объекта надёжности предлагается использовать «единичные» перемещения характерных движений элементов в трактах системы подачи в условиях «единичных» нагружений. В этом случае в качестве «базовых» оценок надёжности используются рассчитанные значения ПН для известных конструкций ТК, приведенные к элементарным движениям элемента. Приведение осуществляется, как для отдельных устройств и механизмов подачи, так и для системы автоматизации в целом. Результат приведения зависит от суммы перемещений, характера траектории, скоростей движения, зависит от массы перемещаемых элементов с приведенными к ним звеньями механизмов, а также зависит от способов базирования, фиксации, приёмо-передачи Э с учётом конкретных конструктивных исполнений этих устройств. Использование при этом модулей Бравина позволяет оценивать ПН путём прямого анализа схемных решений.
Введенные топологические параметры позволяют перейти от традиционного описания принципиальной конструктивной схемы ТК к эквивалентному представлению её структуры в виде ориентированного графа состояний- Так, для ТК учитываются оценочные характеристики траекторий движения элементов, массово-габаритные характеристики Э, циклограмма работы механизмов, предполагаемые конструктивные исполнения устройств и механизмов системы автоматизации. Ориентированный граф отображает реальные и фиктивные перемещения элементов в трактах системы автоматизации, включая перехваты и смены базовых поверхностей, фиксаций и расфиксаций. Узлы (вершины) подобной граф-модели определяются характерными точками траектории движения элементов. Характерные точки соответствуют моментам перехватов (приемо-первдачи), моментам смены базирования элементов, моментам фиксации (расфиксации) элементов при жестком позиционировании их в трактах системы автоматизации, моментам изменения траектории движения или характера движения элементов, моментам начала и конца цикла работы системы автоматизации, моментам возможного (в том числе под действием внешних возмущений) несанкционированного перемещения Э. Ребрами граф-модели являются отображения реальных и фиктивных траекторий перемещения элементов между характерными точками (узлами) графа. Фиктивные траектории необходимы для отображения состояний механизмов системы автоматизации при отсутствии реальных перемещений элементов, но при фактическом продолжении функционирования механизмов (например, продолжение действия с элементом без его перемещения при «закрутке»). При построении граф-модели используются понятия: характерное движение и единичное перемещение. Характерное движение определяется взаимным расположением оси элемента и его мгновенным вектором скорости. Различаются характерные движения: продольное, поперечное, поворот, фиктив ное, сложное. Единичное перемещение соответствует: одной длине элемента при его продольном перемещении по тракту, 1,5 калибра при поперечном движении, повороту на я/2 (90) вокруг центра масс элемента.
Оценка ПН разрабатываемого ТК, представленного на начальном этапе создания в виде принципиальной конструктивной схемы, проводится с помощью введенной топологической модели.
Оцениваемый ПН - вероятность безотказной работы за один цикл срабатывания - р, р = \- q, где q - оценка вероятности отказа рассматриваемого объекта (за один цикл), понимаемая здесь как оценка суммарной интенсивности отказов в трактах системы автоматизации ТК. Оценка q выражается следующим образом: q = , где Л - суммарная интенсивность отказов системы автоматизации, Л 1 V? N1 j.l j=\ к=\ где г = 1,ЛП - индекс узла графовой модели; N1 - число узлов; j = \,N2 - индекс ребра графовой модели; N2 - число ребер; к = UN3 - индекс механизма (конструктивного элемента); N3 - число механизмов, составляющих систему автоматизации; к{ - интенсивность отказов системы в /-м узле; ks - интенсивность отказов системы BJ-Й связи; Хк - интенсивность отказов в к-м механизме системы автоматизации.
Модели оценки ПНТК в процессе отработки и испытаний
Информацией (/), используемой для оценки ПН конструкции ТК в процессе отработки, являются данные: mv - число отказов; xv - замеры контролируемых параметров; пу - наработки ТК и его узлов; Sv - условия и режимы испытаний; Ду - доработки конструкции ТК; к\ - число устранённых доработками причин отказов (v = \J\ I - число этапов отработки). Эти данные представляют собой, как правило, статистические совокупности плохо упорядоченные и ограниченные по объему. Зависимость самой возможности проведения анализа достигнутого уровня надёжности отрабатываемой конструкции ТК от объёма и содержания имеющейся информации предопределяет усилия как в направлении повышения информативности используемой информационной базы, так и поиска эффективных моделей и методов обработки данных. Эффективных в том смысле, что они наилучшим образом используют всю имеющуюся разнородную информацию ПН = f(mv4xv nY,S9M9K9v = \4l) и, при этом, дают лучшие оценки ПН,упчЛПНМЮг при равной по объёму и содержанию исходной информации.
Моделями, учитывающими целенаправленное воздействие на отрабатываемую конструкцию ТК в виде доработок, являются аппроксимирующие модели. Аппроксимирующие модели характеризуются допущениями: испытания в процессе отработки изделия делятся на этапы моментами внесения доработок; внутри этапа испытания (опыты) независимые; надёжность объекта испытаний изменяется только в результате доработок; доработка может проводиться как после отказа, так и после успешного испытания; относительный вклад каждой доработки в изменение надёжности изделия выражается числом устранённых причин отказов; вклад устране ния одной причины отказа в изменение надёжности отрабатываемого изделия постоянный для данного периода испытаний.
Модель строится на основе логико-вероятностного принципа. При этом, анализируются в виде линейной аппроксимации приращения значений оцениваемого ПН ТК (АР, - приращение вероятности безотказной работы) врезулЕЛ"ате проведения доработок конструкции [10, 11]. ДР, = (1-/ )-, ,, (3.1) где а,- - коэффициент, характеризующий изменение оставшейся после (i-I)-ой доработки вероятности отказа (1-Ри) за счёт /-ой доработки; et - коэффициент, характеризующий снижение достигнутой вероятности безотказной работы Ры за счёт /-ой доработки; / - индекс, характеризующий помер доработки (i = \,v,v - количество доработок). Известна связь / = Іф9 где/-иомер опыта в последовательности испытаний (j = i,n;n - объём испытаний). Линейная модель учитывает возможность как повышения, так и снижения достигнутого значения Р , т.е. APf 0. Коэффициент at характеризует эффективность проведенной доработки ТК, т.е. долю вероятности отказа, преобразуемую в приращение ЬЛ\. Коэффициент в, характеризует негативную сторону доработки и количественно определяет степень уменьшения достигнутой Л./, Значение коэффициента щ определяется объемом получаемой при испытаниях информации, позволяющей достоверно устанавливать и устранять причины отказов, значение коэффициента et - информации, анализ которой привел к ошибочным выводам относительно причин отказов и, соответственно, к доработкам, снижающим ПН. Естественно, что чем больше причин отказов устраняется одной доработкой, тем существеннее её влияние на ПН ТК. Поэтому вводится предположение, что at = к,а; et = Kfi9 где к, - количество устраняемых /-ой доработкой причин отказов; а, є - постоянные коэффициенты, характеризующие эффективность устранения одной причины отказа. Таким образом, функция изменения ПН отрабатываемого ТК имеет вид [10, 11]: Р,=Го+±&Р„ (3.2) i-l где P0 - значение ПН ТК до первой доработки. После преобразований, проведенных по схеме, предложенной в [10, 11], выражение для модели роста ПН отрабатываемого ТК приобретает вид: , где/-..=-2-. (3.3) а + в Для решения задачи статистического оценивания параметров модели я, PQ и рл по результатам отработки изделия может быть использован метод максимального правдоподобия, применение которого предполагает справедливость допущения о независимости результатов испытаний.
В качестве оценок максимального правдоподобия принимаются значения а,Л0,Д, при которых функция правдоподобия при заданной выборке (и19т19к,) обращается в максимум (- InL в минимум). Получаемые оценки максимального правдоподобия являются состоятельными, асимптотически несмещенными и асимптотически эффективными (для больших выборок).
Предпринимаются, вместе с тем, и попытки, связанные с уточнением (усложнением) модели реализации процесса изменения надёжности объекта при отработке за счёт дифференциации представлений о возможных причинах отказов отрабатываемого изделия и введения в модель вероятностей устранения соответствующих причин отказов для данных условий доработок изделия. Но использование этой модели остаётся проблематичным из-за отсутствия классификатора причин отказов и, тем более, с вероятностными оценками их устранимости в определенных условиях доработок отрабатываемых изделий.
Факторы, определяющие точность и достоверность оценки надёжности ТК в процессе проектирования
Поскольку, критерии точности и достоверности, в смысле теории точности, в случае оценивания ПН (по определению ПН) совпадают с интервальной формой задания ПН (/7//є [/7//]/? где [ПН] - характеристика точности и -характеристика достоверности оценки), анализ точности и достоверности проектной оценки ПН разрабатываемого образца ТК проводится согласно информационно-системной методологии, рассматриваемой в диссертации. Здесь используются следующие положения:
- Оценка надежности на каждом проектном этапе сопровождает разработку изделия с целью выяснения вопросов: достигнуты ли разрабатываемым образцом ТК требуемые значения niil(i = Un) и насколько достоверно проведена оценка,
- Каждый проектный этап завершается подтверждением выполнения требований ТЗ по надёжности: ПНи є [////,, Jp, = ї»л - Оценка выполнения условий ПНЦ єя//у]г имеет смысл лишь в «информационной системе координат» у-го проектного этапа, поскольку оцениваемым объектом является результат разработки ТК нау -м этапе.
Исходя из этих положений, необходимо учитывать две группы факторов, определяющих точность и достоверность оценки значений ШІіГ Это факторы, определяющие точность и достоверность оценки значений ПН в «информационной системе координат» у-го проектного этапа, и факторы, определяющие точность и достоверность оценки в «информационной системе координат» завершающего этапа разработки ТК- При этом, факторами первой группы оказываются: степень соответствия модели, по которой проводится оценивание ПН, результату разработки изделия (описанию конструкции ТК) нау -м проектном этапе; адекватность, точность и достоверность исходной информации, используемой для оценки nilsj; адекватность и точность метода оценки ПН (допущения метода, точность вычислительной процедуры, точность обработки результатов). Факторами второй группы - степень соответствия (адекватности) у-го проектного результата (описание конструкции ТК на/-м проектном этапе) окончательному результату разработки ТК (завершенной конструкции ТК). Причём, для количественного выражения роли факторов второй группы используется шкала информационного коэффициента адекватности /} J = 1,л.
Основными методами исследования надёжности ТК на этапах проектирования являются расчётные методы (раздел 2). Их реализация предполагает использование существующего в технической отрасли расчётного аппарата и информации о вероятностных свойствах исходных величии. Поэтому, в рамках факторов 7-й группы, определяющих точность и достоверность оценки значений /7Яу ТК, формируются (по традиционной классификации [44,45]) ошибки систематические и случайные.
Общим видом погрешностей для методов, используемых для оценки ПН проектируемых ТК, оказываются систематические, регулярные погрешности, порождаемые неточностью математического описания исследуемого объекта, упрощением исходной физической картины процессов -методические погрешности.
Нужно отметить, что указанный вид систематических погрешностей, как свойственный факторам 1-й группы, требует дополнительного комментария. Указанный вид методических погрешностей в рамках факторов /-й группы должен рассматриваться лишь в той мере, в какой возможно выразить отличие этапного результата разработки ТК и тех математических описаний (математических моделей), которые используются на рассматри ваемом проектном этапе для проведения исследований и расчётов. В противном случае этот вид погрешностей должен рассматриваться в рамках факторов 2-й группы.
Соответственно, при традиционном рассмотрении эти ошибки окажутся поддающимися исследованию на образцах-аналогах, макетах, опытных образцах. Причём, в полной мере оценка методической погрешности может быть произведена только на завершающем этапе разработки ТК с использованием результатов натурного экспериментального исследования опытного образца. Для решения этой задачи необходимо для выходных параметров процессов в выбранном функциональном пространстве установить меру близости между соответствующими точками, определенными расчётным и опытным путём, и убедиться, что систематическая методическая ошибка не превышает заданного значения. Как правило, методическая ошибка остаётся постоянной для каждого класса систем. Поэтому, результаты экспериментального исследования её величины могут быть распространены па подобные проектируемые ТК. Это позволяет вводить соответствующие поправочные коэффициенты по различным классам систем.
Наряду с рассмотренным видом систематических ошибок, проектным методам оценки ПН ТК могут соответствовать и другие виды методических погрешностей. Так, для топологического анализа надёжностной структуры проектируемого ТК свойственными оказываются методические алгоритмические погрешности, обусловленные приближенностью в описании конструктивной схемы ТК граф-моделью, принятием решения о принадлежности анализируемых устройств к определённому классу механизмов на основании расчётов лишь обобщённых модулей подобия, упрощённостью допущений о характере аппроксимирующих зависимостей для расчёта условных потерь надёжности. Для экспертно-статистических методов типичными являются методические процедурные погрешности, связанные с принципами укомплектования экспертной группы в профессиональном отношении и количественного состава, с определённой направленностью в расхождении статистических данных по образцу-аналогу и оцениваемому
ТК. Для методов статистического моделирования свойственны методические погрешности, обусловленные использованием приближённых процедур численного интегрирования исходных дифференциальных уравнений, ограниченностью объёмов статистических испытаний, приближением распределений «выходных» величин теоретическими функциями распределения в виде известных законов или разложений в ряды (Грама-Шарлье и
ЛРО В рамках факторов 1-й группы, определяющих точность и достоверность оценки значений FIHfJ ТК, имеются общие для всех используемых методов проектной оценки надёжности случайные погрешности, порождённые неполным представлением о случайном характере физико-механических, конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров, ограниченностью и разнородностью исходной статистической информации в них. Кроме указанных, каждому методу проектной оценки ПН ТК свойственны и другие погрешности случайного характера. Так, в анализе топологии надёжностной структуры и в экспертно-статистических методах случайный характер погрешностей проявляется при формировании базовых оценок надёжности ТК по выборке образцов-аналогов, в разбросе мнений экспертов.
