Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ССТС ДЛЯ ОЦЕНКИ
НАДЕЖНОСТИ, БЕЗОПАСНОСТИ И ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ 12
1.1 Модели оценки надежности элементов ССТС 12
Характеристики надежности элементов 13
Основные состояния элементов 16
Основные показатели надежности элементов 17
Оценка надежности по результатам испытаний 20
Учет цензурированных наработок. 22
Параметрические методы оценки 23
Критерии согласия 24
Непараметрические методы оценки 26
1.2 Моделирование ССТС для оценки надежности и безопасности 27
Подходы к моделированию ССТС 27
Исходные данные для моделирования ССТС 30
Деревья событий и деревья отказов 31
Логико-вероятностный метод 35
1.3 МОДЕЛ ИРОВАІ ШЕ ССТС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКЕ
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 40
Метод готовых решений 42
Имитационное моделирование 44
Методология координированных переключений 47
1.4 Выводы 51
2 ПОСТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ И
БЕЗОПАСНОСТИ ССТС 53
2.1 ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ НАХОДЯЩЕЙСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ССТС 53
Сбор данных по отказам элементов ССТС 54
Моделирование вусловиях изменения структуры ССТС. 55
Использование справочных показателей надежности 56
2.2 Обоснование необходимости использования двухпараметрических законов
распределения для расчета надежности отдельных элементов сстс 57
Анализ статистики отказов автотрансформаторов энергетической системы 61
Анализ статистики отказов кислородных компрессоров 65
Анализ статистики отказов центробежного нагнетателя газоперекачивающей станции 67
Выводы 71
Метод А.С Агапова 72
Выбор логико-вероятностных методов для оценки надежности и безопасности сстс в целом 76
Метод наращивания путей 78
Метод отбораКПУФ 81
Комбинированный метод построения вероятностной функции 84
2.5 Выводы 85
3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В
ССТС ; 88
Анализ требований 88
математическое описание сстс 90
Описание структуры 90
Типизация элементов 93
Учет резервных связей 96
Критерий работоспособности элементов 98
Переходы между состояниями 99
Порядок переключения портов 102
3.3 Формальное описание переключения 103
Переключение при эксплуатации 103
Переключение при возникновении аварии 109
Алгоритм поиска варианта переключения 110
3.4 Выводы 112
4 РАЗРАБОТКА ПОДХОДА К АГРЕГАЦИИ РАЗНОРОДНЫХ МОДЕЛЕЙ
АНАЛИЗА ССТС И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 114
4.1 Технология формализованного описания семантики ССТС 114
Семантическая объектная сеть 114
Использование конечных автоматов для моделирования объектов сложных технических систем 117
Описание конечных автоматов в семантической объектной сети 120
Технология отображения семантической объектной сети во внешнее хранилище данных через промежуточный объектно-ориентированный уровень ...123
ПОДХОД К АГРЕГАЦИИ МОДЕЛЕЙ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ И ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 125
Программный комплекс по оценке надежности и безопасности ССТС 127
Диаграмма вариантов использования 127
Диаграмма классов 128
4.4 Оценка эффективности 131
Модель оценки надежности отдельных элементов ССТС 131
Модель оценки надежности и безопасности ССТС 131
Модель выполнения переключений элементов ССТС 132
4.5 Выводы 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
ПРИЛОЖЕНИЕ А. КРИТЕРИИ АВАРИЙ ДЛЯ СЕТЕВЫХ ОБЪЕКТОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 145
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СПРАВОЧНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ В. СПРАВОЧНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ
СИСТЕМ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СПРАВОЧНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ЗАРУБЕЖНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СИСТЕМ... 152
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ГРАФИКИ ВЕРОЯТНОСТИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
КИС ЛОРОДНЫХ КОМПРЕССОРОВ 154
Введение к работе
Современные объекты электроэнергетики, как и многие другие промышленные предприятия, представляют собой технические системы большой размерности и высокой структурной сложности. В литературе такие системы иногда называют структурно-сложными техническими системами (ССТС) [28, 49, 50]. Комплексный подход к обеспечению безопасности функционирования ССТС приводит к тому, что вероятность возникновения аварий в них оказывается меньше, чем в относительно простых системах, но последствия возникновения таких аварий существенно более масштабны. Это происходит потому, что для структурно-сложных систем характерна возможность возникновения комбинаций небольших аварий, каждая из которых по отдельности не может привести к серьезным последствиям. При возникновении такой комбинации существует вероятность лавинообразного разрастания очага аварии, вплоть до полного выхода системы из-под контроля. А поскольку большинство промышленных предприятий в процессе своего функционирования используют или вырабатывают опасные вещества, последствия таких комбинаций небольших аварий приводят к настоящим катастрофам [8].
В настоящее время для всех опасных объектов электроэнергетики (большая часть которых является ССТС) на территории РФ необходима разработка деклараций промышленной безопасности, которые включают в себя количественную оценку надежности, безопасности и риска. Это необходимо для объективной оценки текущего состояния таких объектов, выработки рекомендаций по увеличению надежности и безопасности, ликвидации последствий аварий. Для выполнения полноценного анализа, без которого невозможна объективная оценка, необходимы определенные инструменты - методики и математические модели.
Отечественные и зарубежные ученые уделяют большое внимание разработкам, направленным на повышение отказоустойчивости и живучести
ССТС, такие разработки необходимы и актуальны, зачастую их применение на опасных объектах электроэнергетики приводит к видимым результатам, но они не всегда обеспечивают требуемый уровень безопасности. Во многом это объясняется постоянно растущими требованиями, вытекающими из всё более жестких норм и стандартов по надежности и безопасности. Кроме этого, следует учитывать факт постоянного увеличения размерности и структурной сложности создаваемых технических систем, что неизбежно приводит к увеличению сложности соответствующих математических моделей их надежности и безопасности. Всё вышеперечисленное позволяет говорить о неизбежной необходимости расширять области применения научных методов анализа и совершенствовать сами методы.
На пути использования существующих методов анализа ССТС стоит несколько объективных факторов. Во-первых, значительная часть математических моделей в принципе не позволяет анализировать системы большой размерности и высокой структурной сложности за приемлемое время в силу экспоненциальной зависимости времени расчета от сложности системы, и использования таких моделей следует избегать. Во-вторых, значительное число моделей позволяет проводить только статическое моделирование, что делает их малопригодными при решении практических задач. В-третьих, для части моделей отсутствуют необходимые технологии сбора исходных данных и автоматизированного представления собранных данных в требуемом для анализа виде, при этом возможности создания таких технологий ограничены. Наконец, часть моделей принципиально не позволяет проводить анализ с учетом современных требований по надежности и безопасности в силу конструктивных ограничений.
Тем не менее, среди большого количества известных моделей можно выделить несколько лидирующих, которые наиболее близко приблизились к некой абстрактной идеальной модели, обеспечивающей полную безопасность. Принципиально среди них можно выделить модели, основанные на построении деревьев отказов и деревьев событий [45, 46], а
7 также модели, основанные на построении графов связности [45] и схем функциональной целостности [63]. Дополнительно следует отметить группу методов, разработанных А.И. Губинским, В.Г. Евграфовым и другими авторами [12-14, 18], которые позволяют учитывать эргатический фактор при анализе надежности системы.
Использование этих моделей для анализа надежности и безопасности ССТС предполагает наличие вероятностей отказов отдельных элементов, входящих в систему или вероятностей возникновения различных событий. Подавляющее большинство существующих моделей использует в качестве входных данных готовые вероятности, и не определяет технологий получения этих вероятностей, что может представлять достаточно серьезные неудобства потенциальным пользователям.
Поскольку моделей, обеспечивающих полную безопасность, на сегодняшний день не существует, получили определенное распространение модели, позволяющие минимизировать последствия аварий, возникших по причине отказов [35, 58-61, 70]. Такие модели предоставляют обслуживающему персоналу конкретные рекомендации по локализации и устранению аварий и могут использоваться как в обучающих целях, так и в процессе эксплуатации. Эти модели могут быть основаны на методе готовых решений (предоставляя заранее подготовленные экспертами рекомендации по некоторым наиболее типовым авариям и их комбинациям) или могут использовать актуальную информацию о системе и в реальном времени вырабатывать рекомендации по абсолютно произвольным авариям и их комбинациям.
Таким образом, дальнейшее повышение безопасности
функционирования ССТС возможно по четырем направлениям:
Повышение надежности отдельных элементов и их соединений.
Использование моделей прогнозирования отказов отдельных элементов и своевременная (профилактическая) замена этих элементов.
Использование моделей оценки надежности и безопасности функционирования ССТС в целом.
Использование моделей переключения технических средств ССТС, помогающих управляющему персоналу в принятии решений при возникновении чрезвычайных ситуаций.
Первое направление имеет серьезные ограничения, вызванные радикальным увеличением стоимости изготовления высоконадежных изделий. Модели, развиваемые в рамках последних трех направлений, обладают рядом ограничений с точки зрения применимости и допущений с точки зрения точности выполняемых расчетов. Кроме этого, известные модели развиваются независимо друг от друга, и имеется проблема объединения моделей для обеспечения комплексного подхода к обеспечению надежности и безопасности ССТС. Поэтому создание более точных моделей с меньшими ограничениями по применимости, а также комплексных моделей ССТС, является в настоящее время актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является повышение надежности электроэнергетических объектов за счет развития и агрегации существующих математических моделей оценки надежности, безопасности и выполнения переключений элементов в ССТС.
Главной научной задачей диссертационной работы является разработка комплекса методов, необходимых для построения системы поддержки принятия решений по обеспечению надежности функционирования ССТС. Для решения этой главной задачи поставлены и решены следующие частные научные и практические задачи:
Обоснование необходимости использования двухпараметрических законов распределения при выборе методов расчета надежности отдельных элементов ССТС.
Разработка модели переключения элементов ССТС, учитывающей требуемые работоспособные и неработоспособные состояния для каждого типа элементов, поддерживающей задание критериев для
выполнения переключений и позволяющей получать согласованную последовательность рекомендаций по переключениям.
Разработка технологии формализованного описания семантики ССТС и метода агрегации различных моделей анализа ССТС на основе единого формализованного описания.
Создание программного комплекса поддержки принятия решений по обеспечению надежности ССТС с использованием выбранных и разработанных методов и моделей.
Объектом исследования является система электроэнергетики большой размерности и высокой структурной сложности.
Предметом исследования является надежность и безопасность функционирования системы электроэнергетики.
При проведении исследований использовались следующие научные теории и методы: системный подход, теория сложных систем, метод проверки статистических гипотез А.С. Агапова, логико-вероятностный метод И.А. Рябинина, обобщенный структурный метод А.И. Губинского и В.Г. Евграфова, теория надежности.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Метод отбора кратчайших путей успешного функционирования системы для оценки надежности ССТС в целом.
Модель переключения элементов ССТС, алгоритм выполнения согласованных переключений и метод формирования рекомендаций по выполнению переключений.
Метод агрегации модели оценки надежности отдельных элементов ССТС, модели оценки надежности и безопасности ССТС в целом и модели переключения элементов ССТС.
Научная новизна заключается в следующем: 1. Метод отбора кратчайших путей успешного функционирования отличается учетом интегральной характеристики каждого пути, что позволяет уменьшить время выполнения расчетов показателей
10 надежности ССТС или завершить вычисления по достижении заданной точности.
Модель переключения элементов ССТС отличается возможностью учета требуемых дискретных состояний элементов (а не только «работоспособен» и «неработоспособен»), что позволяет проводить дискретно-событийное моделирование переключений с высокой степенью реалистичности в реальном масштабе времени.
Метод агрегации моделей анализа ССТС отличается использованием единого формализованного описания семантики ССТС, что позволяет избежать дублирования, повышает обоснованность принятия решений за счет синергетического эффекта от использования нескольких моделей, а также закладывает возможность будущего расширения разработанной системы поддержки принятия решений.
Практическая ценность работы. В диссертации изложены научно обоснованные подходы к развитию и агрегации существующих моделей и методов оценки надежности, безопасности и выработки управляющих решений по переключению элементов, направленные на создание систем поддержки принятия решений для ССТС. Одним из результатов работы является создание программного комплекса (имеется свидетельство о регистрации в Реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ), предназначенного для служб эксплуатации электроэнергетических объектов.
Реализация результатов работы. Результаты работы использовались в ООО «Городской центр экспертиз» при создании алгоритмической модели автоматизированной структурно-логической оценки показателей надежности и риска объектов энергетики ОАО «ФСК ЕЭС», при разработке Декларации промышленной безопасности кислородного цеха ОАО «Северсталь», и при создании математической модели автоматизированной оценки показателей надежности и риска для объектов газотранспортных систем ООО «Тюментрансгаз» (подтверждено актами о внедрении).
Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Информационные системы и компьютерные технологии» БГТУ «Военмех» им. Д.Ф.Устинова для дисциплин «Проектирование информационных систем» и «Моделирование систем представления знаний» (подтверждено актом о внедрении).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» в 2004 г., на XIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» в 2004 г., на II международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» в 2006 г., на IV международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект в XXI веке. Решения в условиях неопределенности» в 2006 г., на общероссийской научно-технической конференции «Третьи Уткинские чтения» в 2007 г., VI международной конференции «Актуальные проблемы промышленной безопасности: от проектирования до страхования» в 2008 г.
Личный вклад автора. Основные научные положения, алгоритмы и их программная реализация, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, среди которых 3 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК, 6 докладов на всероссийских и международных научно-практических конференциях, 1 учебное пособие и 4 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований, и 5 приложений.
