Агрегирование моделей анализа надежности и безопасности технических систем сложной структуры (30.03.2009)

Автор: Викторова Валентина Сергеевна

созданы динамические модели и машинно-ориентированные расчетные процедуры определения показателей надежности и производительности двухфазных систем с ненадежными накопителями, предложен метод анализа многофазных, многопоточных систем, структура которых описывается графом типа дерева, основанный на декомпозиции на двухфазные модели; доказано, что полученная агрегированная оценка коэффициента готовности и средней производительности многофазной системы является нижней

предложен основанный на COM технологии метод сопряжения программной реализации моделей многофазных многопоточных систем с логико-вероятностными модулями и библиотеками элементов универсального программного обеспечением анализа надежности, что позволило строить более адекватные модели технологических систем

созданы модели и методы исследования контролепригодности систем, предложен интегральный показатель достоверности контроля, позволяющий оценивать его качество с учетом полноты, глубины, отказов первого и второго рода; разработан и практически реализован метод сопряжения программного обеспечения анализа надежности и безопасности систем с встроенным контролем с универсальными программами; метод основан на разделении импортированной базы данных видов и последствий отказов

предложен подход к анализу надежности отказоустойчивых управляющих вычислительных систем на моделях деревьев отказов, основанный на выделении групп несовместных событий по состояниям основного процессорного блока, что позволяет декомпозировать задачу оценки показателей надежности и преодолевать проблему размерности модели, возникающую при учете двух видов неисправностей (отказов и сбоев), алгоритмов постепенной деградации работоспособности системы, высокой степени резервирования устройств связи с объектом управления

разработаны динамические модели надежности компонентов отказоустойчивых вычислительных систем на основе марковских случайных процессов и метода интегральных соотношений, позволяющие учитывать внедренные в систему процедуры обработки неисправностей, “просеивающие” поток сбоев, и последовательности возникновения неисправностей, приводящие к различным последствиям на системном уровне

Полученные в работе результаты направлены на теоретическое развитие и обобщение важной практической задачи моделирования и оценки надежности и безопасности технических систем сложной структуры с различными особенностями функционирования, процессов возникновения отказов и восстановления работоспособности.

Практическая значимость и реализация результатов. Решение поставленных в диссертации задач позволяет осуществлять практическое внедрение программных реализаций предложенных теоретических моделей в проектные расчеты надежности, безопасности, производительности. Разработанные методы программного агрегирования позволяют внедрять модели в универсальные программные системы анализа надежности и использовать встроенные библиотеки элементов и видов отказов, что повышает точность моделирования и решает проблему обоснованного задания исходных данных.

Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием при

анализе надежности, безопасности и контролепригодности проекта семейства российских региональных самолетов Sukhoi Superjet 100

оценке комплексных показателей надежности для различных концепций морского обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения

исследовании надежности и производительности российских объектов уничтожения химического оружия

анализе надежности управляющей бортовой вычислительной системы с программно-реализованной сбое-отказоустойчивостью.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании “Надежность, живучесть и безопасность автоматизированных комплексов”, Суздаль, 1988, 1991; VII Всесоюзной научно-технической конференции “Проблемы комплексной автоматизации судовых технических систем”, Ленинград, 1989; Международной конференции по вычислительным системам и информационным технологиям, Сидней (Австралия), 1989; 6м Международном симпозиуме IMEKO TC 10 по технической диагностике, Прага (Чехословакия), 1989; научном семинаре “Надежность и качество функционирования систем”, Москва, МГУПС (МИИТ), 1990, 2006; Всесоюзном совещании “Проблемы построения перспективных бортовых управляющих систем”, Владивосток, 1991; Международной конференции по проблемам управления, Москва, ИПУ РАН, 1999, 2003, 2006; 5м Международном научно-техническом симпозиуме "Авиационные технологии 21-го века. Наука на МАКС-99", Жуковский, 1999; Международной конференции “Параллельные вычисления и задачи управления PACO’ 2001”, Москва, ИПУ РАН, 2001; XV Международной конференции “Математические методы в технике и технологиях”, Тамбов, 2002; Международном семинаре “Relex – программное обеспечение для анализа надежности, безопасности, рисков”, Москва, ИПУ РАН/RSCE, 2003; 4й Научно-технической конференции “Функциональная Безопасность”, СНИИП, Москва, 2003; 6ом Международном семинаре ИКК МНТЦ “Наука и Компьютерные технологии ”, Москва, 2003; Международной научной конференции “Математические Методы в Технике и Технологии - 16”, Санкт-Петербург, 2003; Международном семинаре “Система Управления Качеством - FRACAS”, Москва, ИПУ РАН/RSCE, 2004; Научно-практической конференции “Современное состояние процессов переработки нефти”, Уфа, 2004; 9м Научном семинаре “Промышленная Безопасность. Программные средства в области анализа техногенного риска”, Москва, 2005;  международной конференции Межгосударственного Авиационного Комитета “Программные продукты информационного обеспечения безопасности полетов, надежности и технической эксплуатации авиационной техники”, Москва, 2006; Международной школе-семинаре по программным продуктам и проектным решениям “Relex Reliability Studio”, Salem (Germany), RSCE, 2006, 2007;. Международной научной школe "Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах” (МА БР), Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2008;

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 30 публикациях, в их числе 11 публикаций в изданиях перечня Высшей аттестационной комиссии. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, содержит 223 страницы, 75 рис., 12 табл., список литературы из 128 названий.

Содержание работы

Во введение определена цель исследований, приведено обоснование актуальности темы и научной новизны диссертационной работы, описаны методы исследований и полученные практические результаты.

В первой главе с позиций анализа надежности рассмотрены особенности технических систем сложной структуры, выделены два класса моделей (статические и динамические), проведен сравнительный анализ отечественного и зарубежного программного обеспечения анализа надежности и безопасности (ПО АНБ), предложен новый подход к разработке программ анализа надежности.

К специфическим особенностям сложных систем относятся:

наличие нескольких уровней эффективности функционирования (например, производительности) и постепенная деградация по эффективности при возникновении неисправностей

реализация разнообразных способов резервирования (структурного, временного, алгоритмического), стратегий восстановления, технического обслуживания, например, различная «нагруженность» резерва, присутствие общих элементов в различных резервированных звеньях, контроль функционирования, ограничения на ЗИП, число ремонтных бригад

внедрение алгоритмических методов обработки неисправностей (в основном для вычислительных устройств) с классификацией на сбои и отказы

возможность возникновения нескольких несовместных видов отказов элементов, приводящих, при определенной кратности и последовательности возникновения, к различным последствиям на системном уровне; наличие скрытых и явных отказов.

В разделе 1.1 предложено разделение моделей анализа надежности на два класса: cтатические, в которых состояния системы определяются наборами работоспособных и неработоспособных элементов в момент времени t; динамические, когда происходящие события, отказы рассматриваются как процессы, развивающиеся во времени.

В рамках статических моделей анализ надежности проводится следующими методами:

метод, использующий основные формулы теории вероятностей (вероятность суммы и произведения событий, формула полной вероятности) и комбинаторики; применяется, главным образом, для последовательно-параллельных, параллельно-последовательных структурных надежностных схем и схем m из n

методы, основанные на записи логических условий, интересующих исследователя функций через состояния элементов системы с последующим применением теории алгебры логики (логико-вероятностные методы, используемые в деревьях отказов, схемах функциональной целостности (СФЦ), блок-схемах надежности).

Классические статические модели для восстанавливаемых систем позволяют рассчитывать лишь дифференциальные (мгновенные) показатели надежности, определяемые в момент времени t (коэффициент готовности, параметр потока отказов, средняя эффективность в момент времени t).

В рамках динамических моделей применяются:

моделирование систем марковскими процессами

методы теории восстановления, полумарковских и регенерирующих процессов (в основном, используются асимптотические результаты либо для системы в целом, либо для отдельных резервированных звеньев)

статистическое имитационное моделирование (Монте Карло)

Динамические модели позволяют вычислять все основные показатели надежности - мгновенные, интервальные (вероятность безотказной работы (отказа) на интервале времени), независящие от времени стационарные показатели (средняя наработка между отказами, среднее время простоя…).

Задача адекватного моделирования надежности систем сложной структуры решается только с помощью декомпозиции системы (структурной, логической, по процессам) и применения различных расчетных методов к выделенным частям. Однако моделирование, даже выделенных частей сложных систем, порождает известные проблемы размерности (рост пространства состояний модели и связей между состояниями), и, как следствие, невозможность ручного входного описания модели, определения ее параметров, выполнения расчетов. Проблема может быть решена только с помощью автоматизации, причем, программное обеспечение анализа надежности и безопасности должно включать в себя всю совокупность методов как статических, так и динамических моделей.

В теоретических исследованиях и разработках как динамических, так и статических моделей наша страна находится на лидирующих позициях. Широко известными являются работы Рябинина И.А., Можаева А.С., Филина Б.П., Акуловой Л.Г. (логико-вероятностные методы), Половко А.М., Шубинского И.Б., Лубкова Н.В. (марковские, полумарковские случайные процессы), Ушакова И.А., Соловьева А.Д., Калашникова В.В. (асимптотические методы - полумарковские, регенерирующие процессы, теория восстановления), Ушакова И.А,, Калашникова В.В., Кузнецова Н.Ю., Буянова Б.Б., Акуловой Л.Г. (ускорение статистического моделирования), Волика Б.Г. (анализ эффективности и техногенной безопасности), Черкесова Г.Н. (системы с временной избыточностью)…

Наиболее развитыми и известными отечественными программными средствами анализа надежности и безопасности являются: АРБИТР (ПК АСМ СЗМА) – программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем; Автоматизированная система расчета надежности (АСРН-2000, 2002), реализующая стандартизованные модели безотказности радиоэлектронной элементной базы; АСОНИКА-К – программное обеспечение расчета надежности на основе методов статистического моделирования и аналитических формул для последовательно-параллельных систем; УНИВЕРСАЛ – программное обеспечение анализа надежности и безопасности, использующее полумарковское моделирование.

Лидерами зарубежных программных продуктов являются Isograph (Англия, США), ITEM iQRAS (Англия, США), RAM Commander (Израиль), Relex Reliability Studio (США). Это интегрированные программные средства, включающие различные методы анализа, реализующие разнообразные формы задания моделей (графы, деревья отказов, событий, блок-схемы надежности), содержащие обширные базы исходных данных, имеющие развитый графический интерфейс пользователя, исчерпывающе документированные, имеющие как локальную, так и сетевую конфигурации, сопрягаемые по импорту-экспорту с базами данных, текстовыми редакторами, электронными таблицами, логистическим ПО, САПР.

В разделах 1.2 – 1.10 первой главы проведен сравнительный анализ отечественного и зарубежного ПО АНБ по направлениям: количественные и качественные методы анализа, полнота моделей отказов, восстановлений, резервирования, рассчитываемые показатели надежности, обеспеченность исходными данными, нормативная база, способы задания моделей, сопрягаемость с внешним ПО, точность расчетов. В результате анализа сделан вывод о том, что отечественные программные средства анализа надежности и безопасности характеризуются высоким теоретическим уровнем и оригинальностью отдельных решений, например, представление моделей с помощь схем функциональной целостности в АРБИТРе, решения по автоматизации задания полумарковских моделей в УНИВЕРСАЛе. Однако они уступают их зарубежным аналогам в объеме реализованных методов и решаемых задач, развитости интерфейса пользователя, наличии модулей статистической обработки результатов эксплуатации и испытаний, соответствии международной нормативной документации, сопрягаемости с внешними источниками данных и исполняемыми программами.

У отечественных создателей ПО АНБ нет людских, временных, финансовых ресурсов, необходимых для создания интегрированных сред уровня Relex или Isograph, но есть высокий интеллектуальный потенциал, позволяющий создавать новые и совершенствовать имеющиеся модели и методы. Поэтому в работе предлагается подход к программной реализации новых моделей и методов анализа надежности, сопрягаемой с универсальными ПО. В разделе 1.11 первой главы описаны два возможных способа такого сопряжения. Первый способ основан на разделения внешних источников информации, в частности файлов баз данных. Второй использует принципы COM-технологии, что позволяет внешним программам использовать внутренние сервисы универсального ПО АНБ с помощью механизма интерфейсов. Основным достоинством предложенного подхода является то, что специалисты данной предметной области (как теоретики, так и “надежностно-ориентированые” программисты) могут сосредоточиться на решении действительно актуальных и практически востребованных задач, минуя повторения созданного (интерфейс пользователя, библиотеки исходных данных по интенсивностям и видам отказов элементов, графические редакторы, утилиты импорта-экспорта и пр., включая основное – реализацию классических классов моделей и методов).

В главе 2 описана общая методология агрегирования различных моделей и методов при исследовании надежности и безопасности и приведен пример ее использования при анализе надежности управляющей отказоустойчивой вычислительной системы (УОВС). В качестве первичного описания систем предлагается логико-вероятностная модель деревьев отказов (успехов) (ДО), что обосновывается компактностью задания модели (например, по сравнению с марковскими графами) и ее широким практическим использованием (ДО являются международным стандартом де-факто для исследования надежности и безопасности в авиации и атомной энергетике). Предлагается выполнение следующих этапов исследования:


загрузка...