Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задач разработки методических основ оптимизации надежности структурно-сложных систем на стадии проектирования 16
1.1 Особенности проектируемых технических систем как объектов оптимизации надежности .16
1.2 Формы.задач оптимизации надежности GGTC ;... 18
1.3 Выбор метода моделирования и расчета показателей надежности структурно сложных систем .23
1.3.1 Метод параллельно-последовательного расчета. : 24
. 1.3.2 Метод марковского моделирования .26
1.3.3 Метод деревьев отказов 28
1.3;4 Логико-вероятностные методы расчета надежности 29
1.4 Анализ существующих методов и алгоритмов оптимизации надежности 32
1.4.1 Критерии оценки качества оптимизационных методов ; 32
1.4.2 Методы и алгоритмьъоптимизациинадежности 34
1.4.3 Эвристические алгоритмы решения;задачи оптимального резервирования и распределения надежности 35
1.4.4 Метаэвристические методы и алгоритмы решения задачи оптимального резервирования и распределенияшадежности...: 36
1.4.5 Точные методы и алгоритмы 39
1.5 Постановка задач оптимизации надежности СЄТС 40
1.5.1 Общая часть постановки задач оптимизации надежности 40
1.5.2 Постановка задачи оптимального кратного резервирования 42
1.5.3 Постановка задачи оптимального распределения надежности 44
1.5.4 Постановка задачи комплексной оптимизации надежности 45
1.6 Выводы по главе 1 47
Глава 2. Разработка методик анализа и расчета надежности систем с сетевой структурой и СИСТЄМЇС дробной кратностью резервирования , 49
2.1 Постановка задачи моделирования и расчета показателей надежности для систем с дробной кратностью резервирования и систем с сетевой структурой 49
2.2 Анализ методов и подходов к моделированию и расчету надежности комбинаторных систем 52
2.3 Разработка методики расчета надежности систем с дробной кратностью резервирования з
2.4 Разработка методики расчета всетерминальной меры надежности структуры с сетевой структурой 56
2.5 Выводы по главе 2 59
Глава 3. Разработка теоретических основ метода решения задачи оптимизации надежности технических систем на стадии проектирования 60
3.1 Разработка общих положений метода решения задач оптимизации надежности технических систем на стадии проектирования 60
3.2 Алгоритм решения задачи оптимизации надежности 66
3.3 Выводы потлаве 3 : .70
Глава 4 Разработка практических методик решения задачи оптимизации надежности на стадии проектирования : .72
4:1 Задание нормативных значений показателей надежности систем...:...:.72
4.2 Разработка методик применения метода для различньїхклассов задач оптимизации надежности : 73
4.2.1 Разработка методики решения задач оптимального кратного резервирования 74
4.2.2 Разработка методики решения задач оптимального распределения надежности; „ .83
4.2.3 Разработка практической методики решения;комплексной задачи1 оптимизации надежности 87
4.3 Разработка практической методики решения задач оптимизации надежности технических систем сетевой структуры. 98
4.1.4 Программная реализация методик решения задач оптимизации надежности технических систем... 104
4.5 Выводы по главе 4 108
Заключение ПО
Литература 113
- Выбор метода моделирования и расчета показателей надежности структурно сложных систем
- Анализ методов и подходов к моделированию и расчету надежности комбинаторных систем
- Алгоритм решения задачи оптимизации надежности
- Программная реализация методик решения задач оптимизации надежности технических систем...
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы наблюдается устойчивая тенденция усложнения проектируемых существующих технических систем. Сложность проектируемых технических систем, в основном, вызвана увеличением числа входящих в их состав подсистем и объектов, а также, ростом числа внутренних связей, что проявляется в виде структурной и функциональной сложности. Одно из главных требований, предъявляемых к современным сложным техническим системам, - это надежность их функционирования. В настоящее время проектные расчеты надежности разрабатываемых структурно-сложных технических систем (ССТС) ориентированы, в основном, только на выполнение соответствующих нормативных требований и не позволяют научно обоснованно оптимизировать экономические затраты на принимаемые технические решения.
Проблема оптимизации проектной надежности структурно-сложных технических систем (ССТС) последние годы существенно обострилась как в отечественной науке и промышленности, так и за рубежом. Это обусловлено несколькими причинами, среди которых можно выделить три основные:
Постоянно возрастающие требования практики в увеличении уровня надежности разрабатываемых ССТС при одновременном стремлении к более рациональному использованию имеющихся ресурсов.
Постоянно растущая номенклатура составных элементов и усложнение структур систем приводят к большой размерности и множественности возможных вариантов структурного построения ССТС, что дополнительно усложняет решение задач оптимизации надежности при наличии ограничений.
Постоянно возрастающая структурная сложность современных ССТС, что дополнительно усложняет построение математических моделей анализа и расчета показателей надежности.
Первая из указанных причин требует применения методов оптимизации структуры и элементного состава для обеспечения требуемой надежности проектируемых систем ССТС при наличии ресурсных ограничений. В качестве ресурсного ограничения может выступать стоимость, вес, объем и др. Вторая причина приводит к тому, что практическая оптимизации ССТС возможна только на основе автоматизированных методов моделирования и расчета надежности. Третья причина приводит к необходимости использования таких методов моделирования и расчета надежности, которые позволяют учесть структурную сложность ССТС.
Анализ современного состояния автоматизированных методов моделирования и расчета надежности показал, что на данный момент только логико-вероятностные методы позволяют строить математические модели, в полной мере учитывающие структурную сложность современных технических систем. Анализ современного состояния исследований задач оптимизации надежности ССТС при проектировании показал, что к настоящему времени разработано много методов, алгоритмов и методик их решения. Вместе с тем, большинство разработанных методов и алгоритмов нацелены на решение только отдельных задач оптимизации надежности, и кроме того, часто не могут в полной мере учитывать структурную сложность и размерность современных ССТС.
Таким образом, в настоящее время актуальность приобретает комплексное решение задачи оптимизации надежности на стадии проектирования, позволяющее в полной мере учесть структурную сложность и размерность современных ССТС, на базе дальнейшего совершенствования и развития существующего научно-методического аппарата, разработанного в логико-вероятностных методах математического моделирования, теории оптимизации и системном анализе.
Цель диссертационной работы заключается в повышении качества проектирования структурно-сложных технических систем за счет разработки и применения на практике нового метода, алгоритма и методик решения задач оптимизации проектной надежности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
Анализ методов моделирования и расчета показателей надежности структурно-сложных технических систем. Обоснован выбор логико-вероятностных методов и технологии автоматизированного структурно-логического моделирования для анализа и моделирования надежности ССТС;
Разработка нового метода решения задачи оптимизации надежности на стадии проектирования, на основе жадного алгоритма (greedy algorithm) оптимизации, обеспечивающего учет структурной сложности и большой размерности ССТС;
Разработка методик моделирования и расчета показателей надежности сетевых структур и структур с дробной кратностью резервирования, функционирующих по принципу к из П\
Разработка алгоритма и методики решения задач оптимального резервирования, параметрической оптимизации надежности и комбинированной задачи оптимизации надежности, основанных на использовании разработанного алгоритма оптимизации;
Программная реализация разработанного алгоритма оптимизации надежности.
Методы исследования. При проведении исследований использовались следующие научные теории и методы: методы системного анализа, логико-вероятностные методы, методы оптимизации, методы математического программирования, теория вероятностей, теория надежности систем.
Положения, выносимые на защиту:
Метод решения задачи оптимизации надежности структурно-сложных систем на стадии проектирования;
Методики моделирования и расчета показателей надежности сетевых структур и структур с дробной кратностью резервирования, функционирующих по принципу к из П;
Алгоритм и методики решения задач оптимального резервирования, параметрической оптимизации надежности и комбинированной задачи оптимизации надежности, основанных на использовании предложенного алгоритма оптимизации;
Программная реализация логико-вероятностного алгоритма и методик решения задач оптимизации надежности ССТС.
Научная новизна предлагаемой диссертации состоит в следующем:
Разработан новый метод решения задачи оптимизации надежности ССТС на этапе проектирования, обеспечивающий учет структурной сложности и размерности решение основных задач оптимизации надежности при проектировании;
Разработана новая методика моделирования и расчета надежности систем с дробной кратностью резервирования, работающих по принципу к из п, отличающаяся тем, что в
явном виде непосредственно по логической функции строится расчетная вероятностная функция, но, несмотря на это, вычислительная сложность алгоритма близка к существующим рекуррентным алгоритмам расчета. Построение многочлена для расчета надежности позволяет использовать данную методику, в отличие от других, для оценки вкладов отдельных элементов в надежность всей системы;
3. Разработана новая методика, позволившая проводить моделирование и расчет на
дежности полностью терминальных сетевых структур на основе логико-вероятностного
метода, с применением аппарата схем функциональной целостности. Для решения этой
задачи логико-вероятностным методом выполняется доопределение системы логических уравнений дополнительным уравнением.
Разработан алгоритм и методики решения задач оптимального резервирования, параметрической оптимизации надежности и комбинированной задачи оптимизации надежности, основанных на использовании предложенного алгоритма оптимизации;
Выполнена программная реализация алгоритма и методик решения задач оптимизации надежности ССТС.
Практическая ценность работы. Программная реализация алгоритма логико-вероятностного метода оптимизации надежности и методики его применения позволяют использовать результаты диссертации в проектных и научных организациях для решения задач оптимизации надежности ССТС на этапе проектирования.
Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и результатов диссертации обеспечивается анализом состояния исследований в данной области на сегодняшний день. Корректность предложенного метода и алгоритма подтверждается согласованностью результатов, полученных при практической реализации метода и алгоритма, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на научных конференциях.
Основные результаты данной работы реализованы:
1. В программном комплексе "АРБИТР", предназначенном для автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности ССТС, разработанном в ОАО «СПИК СЗМА».
Апробация работы осуществлена на международных научно-практических конференциях «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (2002), «Моделирование. Теория, методы и средства» (2003), четырех заседаниях международной научной школы «Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах» (2003, 2006, 2007, 2011).
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 10 печатных работ, среди них две работы в рецензируемых журналах из перечня ВАК («Надежность» (2009), «Труды СПИРАЛ» (2011)).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 116 страниц, в том числе 20 рисунков, 18 таблиц. Библиография содержит 117 наименований.
Выбор метода моделирования и расчета показателей надежности структурно сложных систем
Разрабатываемые технические системы современных производств, например - автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), как правило, состоят из большого числа однородных и неоднородных элементов (до нескольких десятков, сотен и даже тысяч). В рамках данной диссертационной работы ограничимся только параметрами надежностной стоимости элементов и будем считать, что только они оказывают существенное влияние на показатели надежности и стоимости проектируемых систем в целом. Многообразными являются и функциональные связи между элементами и подсистемами - механические, электрические, информационные и др.
В современных сложных технических объектах часто применяются многофункциональные элементы, которые выполняют в системе не: одну, а несколько функций с различной организацией условий обеспечения их реализации. Это также должно учитываться в разрабатываемом методе и алгоритме оптимизации надежности проектируемых системных объектов.
Современные сложные технические системы, как правило, являются многофункциональными,, т.е: предназначены для» реализации не одной;. а нескольких различных выходных системных функций: Например; в проектируемых АЄУТПі реализуются информационные функции, функции?управления, регулирования; противоаварийной защиты и др: В соответствии с ГОСТ 24.701-86 [9]; проектный расчет надежности разрабатываемых АСУТО обычно выполняется? отдельно поькаждой, выходною функции. В- общем случае многофункциональность проектируемых систем должна учитываться при решении задач оптимизациишхнадежности. Наиболее распространенным? способом- повышения» надежности?систем является введение структурнош избыточности (резервирования; элементов; подсистем;; а иногда и систем-; в?целом). Существуют четыре основных вида резервирования: аппаратное: резервирование; информационное резервирование, временное резервирование; программное резервирование. В данной работе далее будет рассматриваться только аппаратное резервирование. Будем рассматривать далее только два вида аппаратного резервирования: кратное резервирование элементов (дублирование, троирование и т.д.); комбинаторное резервирование (два из трех, два из четырех, три из четырех и т.п.);
Широкая номенклатура элементной базы проектируемых современных технических систем; характеризуется разными- показателями; надежности (безотказности) и стоимости; используемых технических средств. Как. правило, более надежные элементы при прочих равных условиях имеют и большую стоимость. Причем зависимость "надежность-стоимость" элементов имеет выраженный нелинейный характер. Расширение номенклатуры элементной базы современных системных объектов позволяет использовать при оптимизации еще один способ изменения надежности проектируемых систем с учетом стоимости разрабатываемых решений. Он основан на выборе из общей номенклатуры такого состава элементов, который обеспечивает оптимизацию проектного решения по выбранному критерию.
Всовокупностиуказанные факторы приводят к большой размерности и-высокой структурной и организационной сложности современных проектируемых технических систем. Следствием этого является высокая трудоемкость ручного решения задач их моделирования ш оптимизации, включая моделирование и расчет показателей надежности. Для решения данной проблемы в отечественной промышленности и за рубежом разрабатываются различные теории, технологии и программные комплексы автоматизированного моделирования [18, 20, 22, 91, 99, 15, 4; 7, 49]. Поэтому разрабатываемые методики оптимизации надежности ССТС должны доводиться до алгоритмического уровня, обеспечивающего возможность их программной реализации.
Приведенный перечень особенностей современных технических систем, безусловно, не является исчерпывающим. Однако он в достаточной степени определяет ту область теории принятия решений, в рамках которой разрабатываются методы оптимизации надежности,ССТС на стадии их проектирования.
Первая форма постановки задачи оптимизации надежности формулируется следующим образом: требуется минимизировать стоимость С(Х) проекта технической системы при заданном ограничении показателя ее безотказности R(X) R0 (не менее RQ) на конечном дискретном множестве D вариантов ее элементного состава X Є D, имеющих различные параметры надежности pi и стоимости q. элементов системы; D — конечное дискретное множество вариантов состава элементов системы; D,= \Х D\R(X) R0j- подмножество вариантов структуры и элементного состава системы D с о, удовлетворяющих ограничению по надежности ВД R0; R(X) - надежность системы для варианта X элементного состава системы; С(Х) - стоимость системы для варианта X элементного состава системы; R0 — ограничение по надежности. Функцией, ограничивающей область допустимых значений D элементного состава X, является надежность (безотказность) технической системы R(X). Если при заданном ограничении множество U пусто, то задача оптимизации не имеет решения. Если множество D1 не пусто, то решением задачи оптимизации является вариант элементного состава технической системы
X , для которого выполняется заданное ограничение на показатель безотказности системы R(X ) R0 (не менее чем R0); а стоимость С(Х ) достигает минимально возможного значения.
Вторая форма постановки задачи оптимизации надежности формулируется следующим образом: определить оптимальный вариант состава элементов и структурного построения X системы, который максимизирует надежность R(X ) проекта технической системы при заданном ограничении на ее стоимость С(Х ) (не более С0) на» конечном дискретном множестве D вариантов состава ее элементов X Z), имеющих различные параметры надежности р{ и стоимости сг
Анализ методов и подходов к моделированию и расчету надежности комбинаторных систем
В данном методе при постановке задачи на основе описания работы системы строится структурная модель ее неработоспособности в форме дерева отказов [1, 26, 51]. Затем, на основе построенного дерева отказов определяется логическая функция, которая представляет все минимальные сечения отказов (МСО) исследуемой системы в целом.
Метод дерева.отказов (ДО) хорошо разработан и широко используется как в отечественной промышленности, так и за рубежом: Процедуры построения логических функций, отказов- и выполнения расчетов, приближенных вероятностных характеристик отказа систем автоматизированы и реализованы во многих отечественных и зарубежных программных комплексах [26]. Три комплекса, реализующие метод ДО - Risk Spectrum (Швеция), РИСК и CRIS 4.0 (РФ) - аттестованы Советом по аттестации программных средств Ростехнадзора РФ [26]. Они широко применяются в атомной промышленности для выполнения вероятностного анализа безопасности проектируемых атомных электростанций. Проведенный в НИР [26] анализ-показал принципиальную пригодность метода ДО для использования в разработке методов оптимизации надежности технических систем. Однако имеют место ряд объективных ограничений этого метода:
1. Трудности корректной постановки задач в форме деревьев отказов для систем большой размерности и высокой структурной сложности, что признается широким кругом специалистов (структурные модели работоспособности строить всегда проще и точнее);
2. Практически все отечественные и зарубежные программные средства, реализующие технологию ДО, позволяют вычислять только приближенные значения вероятностных показателей систем и значимостей элементов.
3. В настоящее время методы и программные средства ДО охватывают задачи анализа только монотонных и качественно простых систем. Сказанное позволяет заключить, что существующий уровень разработки технологии ДО не позволяет осуществить ее прямое использование в разрабатываемых методах оптимизации.
Логико-вероятностными называют методы структурного и функционального анализа, в которых аппарат математической логики используется для первичной структурной постановки задач и построения детерминированных моделей исследуемых систем в виде булевых функций, а методы-теории вероятностей применяются для количественной оценки различных свойств этих систем на основе заданных вероятностных и других параметров их элементов [2, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 34; 35, 45, 46, 47, 48, 27, 28, 29, 30].
Проведенный анализ показал следующие основные положительные стороны логико-вероятностных методов (ЛВМ): при постановке задач позволяют использовать все известные виды структурных схем свойств надежности систем (параллельно-последовательные соединения, графы связности с циклами, деревья отказов, деревья событий и др.1);. позволяют выполнять аналитические и статистические, приближенные и точные (в рамках принятых допущений и ограничений) расчеты различных показателей надежности систем; позволяют точно оценивать роль отдельных элементов в обеспечении надежности системы в целом, что позволяет ставить, разрабатывать и решать оптимизационные задачи их анализа; современный уровень разработки логико-вероятностных методов позволяет автоматизировать процессы построения математических моделей и выполнения расчетов показателей, что обеспечивает решение проблемы большой размерности и высокой структурной сложности; логико-вероятностные методы являются аналитически строгими, что обеспечивает их корректное согласование со всеми другими известными методами структурного анализа (аналитическими, статистическими, Марковскими и сетевыми). В настоящее время разделяют два основных класса логико-вероятностных методов — классические монотонные ЛВМ [35] и общий логико-вероятностный метод (ОЛВМ) [8, 21, 23], который позволяет решать как все традиционные классы задач монотонного ЛВМ, так и принципиально.новые задачи немонотонного логико-вероятностного моделирования сложных системных объектов и процессов.
Моделями.элементов во всех видах и классах ЛВМ обычно выступают независимые бинарные случайные события, представляемые простыми логическими переменными (ХІ , Х"І), и характеризуемые известными (заданными) собственными вероятностями их реализации (pi(t), qt(t) = 1 - Pi(t)) на рассматриваемом интервале или в данный1 момент времени t функционирования системы.
На современном этапе наиболее развитым и полностью автоматизированным является общий логико-вероятностный метод. В ОЛВМ на всех этапах моделирования используется функционально полный базис логических операций "И", "ИЛИ" и "НЕ" (конъюнкция, дизъюнкция и инверсия), что обеспечивает возможность реализации всех возможностей основного аппарата моделирования - алгебры логики. Постановка задач в ОЛВМ осуществляется с помощью специального нового графического аппарата структурных схем исследуемых свойств систем, названного схемой функциональной целостности (СФЦ). На базе ОЛВМ разработаны и используются в отечественной промышленности теория, технология и программные комплексы (ПК) автоматизированного структурно-логического моделирования (АСМ) [2, 18, 20, 26]. В настоящее время теоретически развиваются и реализуются в ПК АСМ несколько взаимосвязанных научных направлений вероятностного и детер 31 минированного ОЛВМ — аналитический ОЛВМ, статистический ОЛВМ, марковский ОЛВМ и сетевой ОЛВМ [8, 22].
Алгоритм решения задачи оптимизации надежности
В качестве показателей безотказности проектируемых ССТС, при разработке методов оптимизации надежности, используются: - вероятность-безотказной работы элементов и проектируемой невосста-навливаемой системы в целом, за заданную наработку; - коэффициент готовности элементов и проектируемой восстанавливаемой системы в целом; - коэффициент оперативной готовности системы.
Для многофункциональных технических систем (например - АСУТП), в соответствии с ГОСТ 24.701-86 [6], проектный расчет надежности выполняется по каждой функции отдельно. Данный подход приводит к разделению технической системы на функциональные подсистемы (ФП). Выданной работе предполагается, что система реализует только одну функцию.
Требуемые (нормативные) численные значения показателей надежности ФП проектируемой системы, определяются техническим заданием на ее разработку или, соответствующими руководящими документами. Например, в ООО «КИНЕФ» разработаны «Типовые технические требования на проектирование систем контроля- и управления технологическими процессами», где в разделе «Требования к надежности» указаны нормативные показатели к ФП АСУТП, приведенные в таблице 4.1
Оптимизация надежности-технических систем и функциональных подсистем может осуществляться на различных стадиях ее создания. В настоящей работе рассматривается стадия проектирования, в рамках которой решается априорная задача оптимизации надежности разрабатываемой системы. Таблица 4.1 - Нормативные значения показателей надежности АСУТП
Тип функции Название основного показателя надежности Нормативное Значение Функции контроля и информационные функции (ИФК) Коэффициент готовности (время восстановления Тві 4 час) 0.999 Функции регулирования и автоматического управления Вероятность безотказной работы(в течение года) к 0.92 Функции систем безопасности и противоаварийной защиты (СБ и ПАЗ) Коэффициент оперативной готовности.для блоков I и II категории для блоков III категории 0.9999 0.999
Постановка задач оптимизации надежности является одинаковой для всех структурно-сложных технических систем (как они понимаются в данной работе), за исключением сетевых структур. Поэтому задачи оптимизации надежности сетевых структур в данной работе выделены в отдельные классы задач: - задача оптимизации надежности для полностью терминальной сети (allerminal network); - задача оптимизации надежности системы с сетевой структурой. 4.2.1 Разработка методики решения задач оптимального кратного резервирования
Задача оптимального кратного резервирования заключается в выборе кратностей резервирования каждого компонента системы таким образом, чтобы надежность системы была максимальна при выполнении ограничения на стоимость системы. Будем считать, что изменение кратностирезервирова-ния компонентов является единственным способом изменения надежности системы для данной задачи.
Разработанный алгоритм решения задачи оптимизации приведен в главе 3 (п. 3.2). Для решения задачи оптимального кратного резервирования разработана практическая методика, включающая в себя следующие основные положения. 1. Наоснове структурной схемы строится СФЦ ее работоспособности (безотказности), на которой задается логический критерий успешного функционирования. 2. При помощи программного комплекса АБРИТР выполняется решение системы логических уравнений для заданного критерия успешного функционирования, а затем строится расчетный-вероятностный многочлен. 3. Для каждого элемента системы задаются значения показателей надежности (безотказности), стоимости, а также максимально допустимая кратность его резервирования в проектируемой системе. 4. Для каждого элемента системы выполняется расчет вероятности и стоимости всех возможных вариантов его кратного резервирования (начиная с единичной кратности и до заданной максимальной кратности), на основе следующих соотношений: вероятность безотказной работы элемента / (без кратности); ci - стоимость элемента / (без кратности). 5. С помощью разработанного метода решения задачи оптимизации надежности, определяется состав элементов системы, оптимизирующий требуемый показатель (надежность или стоимость) при заданном ограничении.
Применение данной практической методики решения задачи оптимального кратного резервирования иллюстрируется примером 5 из статьи [69], в которой решены две задачи оптимизации структурно-сложных систем. В первой задаче рассматривается система с мостиковой структурой, структурная схема и СФЦ которой приведены на рис.8. Она состоит из четырех абсолютно надежных узлов (11, 12, 13 и 14) и пяти ненадежных линий связи (1, 2, 3, 4 и 5). Система выполняет свою функцию, если происходит передача информации от узла 11 к узлу 14.
Наибольшую, вычислительную сложность в разработанной методике оптимального кратного резервирования представляет расчет частных производных вероятностного многочлена. Вычисление значения вероятностного многочлена производится только один раз в конце общей процедуры выполнения расчетов. Поэтому при оценке процентного показателя вычислительных затрат (percentage effort ratio - PER [86]) используется отношение количества вычисленных частных производных к общему количеству, точек в области поиска оптимального решения.
Результаты применения разработанной методики для задачи оптимального кратного резервирования мостиковой системы (для пяти вариантов исходных данных) приведены в следующей таблице. Результаты решения представлены в виде перечисления кратностей для каждого элемента системы, порядковый номер в перечислении соответствует номеру элемента на схеме функциональной целостности.
Программная реализация методик решения задач оптимизации надежности технических систем...
Оптимизация надежности разрабатываемых структурно-сложных технических систем (ССТС) является одним из ключевых методов повышения качества их проектирования. Выполненный в ходе диссертационного исследования анализ существующих на данный момент основных алгоритмов и методик оценки надежности и оптимизации сложных технических систем выявил ряд серьезных ограничений существующего уровня их теоретической5, разработки и практическогоиспользования: существующие методы и алгоритмы не удовлетворяют требованиям быстродействия и точности оптимизации, надежности на стадии проектирования для технических систем средней и большой размерности; существующие методы, алгоритмы, и-программные средства не позволяют учесть»ряд важных особенностей современных системных объектов и, прежде всего, их высокой структурной сложности и большой размерности.
В настоящей диссертации изложены научно обоснованные теоретические разработки метода решения задачи оптимизации надежности структурно-сложных технических систем на стадии проектирования, позволяющего-снять указанные выше ограничения. Настоящее исследование включает в себя следующие основные научные и практические разработки.
1. Выполнен анализ существующих методик расчета показателей надежности технических систем, который показал что логико-вероятностные методы в большей степени, чем другие, способны учесть особенности современньтх структурно-сложных технических систем.
2. Выполнена, постановка задач разработки метода и частных методик решения задач оптимизации надежности структурно сложных систем:
Задача разработки методик моделирования и расчета показателей надежности структур с дробной кратностью резервирования и систем с сетевой структурой;
Задача разработки методик решения задач оптимального кратного резервирования (redundancy allocation problem), оптимального распределения надежности (reliability allocation problem), комплексной оптимизации надежности (redundancy-reliability allocation problem). 3. Осуществлена разработка теоретических основ метода решения задачи оптимизации надежности технических систем на стадии,проектирования, включающая» в-себя: - Общие теоретические положения метода решения задачи оптимизации надежности технических систем на стадии проектирования; - Метод и і алгоритм решения.задачи оптимизациишадежности; - Методику моделирования и расчета надежности- систем с дробной кратностью резервирования работающих по принципу "к из п"; - Методику моделирования и расчета надежности систем с сетевой структурой.
4. G помощью предложенного метода разработаны,практические методики решения для различных классов задач оптимизации надежности проекти руемых систем: - Методикарешения задачи оптимального кратного резервирования; - Методика решения задач оптимального распределения надежности; - Методика решения комплексной задачи оптимизации надежности.
Полученные в ходе исследования новые научные и практические результаты доведены до программной реализации и внедрены в программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования- надежности и безопасности систем» «АРБИТР», предназначенного для» автоматизированного расчета безопасности и технического риска. Практические результаты работы использовались компанией ОАО «СПИК СЗМА» в ходе проектирования АСУТП по заказам организаций промышленности РФ. Научные и практические результаты работы использованы на ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез» при 112 выполнении проектных расчетов надежности автоматизированных систем управления технологическими процессами (раздел «Проектная оценка надежности» в составе проектной документации)»: - проект 08.055.6-10-АТХ.ОН «Автоматизированная система управления технологическими процессами объектов, управляемых из операторной то варной базы спецпродуктов и светлых нефтепродуктов, объект 872-22»; - проект 09.042.6-10-АТХ.ОН «Автоматизированная система управления технологическими процессами объектов 862-45/1 , 2, 3, 4»; - проект 09.045.6-10-АТХ.ОНі«Автоматизированная система управления технологическими процессами объектов 860-05/105.1, 860-05/116»; - проект 09.045.6-10-АТХ.ОН «Комплекс установки тактового налива светлых нефтепродуктов. Подключение объектов 910-61, 910-62, 910-66, 910-66/1, 910-33 и 930-01 к АСУТПоб. 872-22».
Программная реализация метода решения задачи оптимизации надежности использована специалистами исследовательского отдела ОАО «Специализированная инжиниринговая компания «Севзапмонтажавтоматика» и специалистами отдела консалтингового центра комплексной безопасности ЗАО «ТЕЛРОС» в ходе выполнения, НИР «Исследование возможности применения ОЛВМ, технологии автоматизированного структурно-логического моделирования и программного комплекса «АРБИТР» для анализа комплексной безопасности (надежности) систем водоснабжения» и водоотведения» (шифр «НКБР-Водоканал»).
Полученные в ходе исследования результаты, в совокупности, составляют решение главной научной задачи - «разработки метода и практических методик решения задачи оптимизации надежности структурно-сложных технических систем на стадии проектирования» и соответствуют теме диссертации «Метод оптимизации надежности структурно-сложных технических систем на стадии проектирования».
