Модели системы эксплуатации технологического оборудования и особенности их использования



В данной статье авторы рассматривают модели функционирования технологического оборудования и методику расчета его показателей эффективности.

Ключевые слова: технологическое оборудование, система эксплуатации, модель, техническое состояние.

Работоспособность технологического оборудования в значительной степени зависит от их сложности, функционального назначения, условий применения, особенностей конструктивных решений, характера протекающих рабочих процессов и стабильности технических характеристик.

Современные образцы вооружения и военной техники, в частности, ракетно-космические комплексы, представляют собой сложные технические системы (СТС). Одной из основных характеристик эффективности таких систем является комплексный показатель надежности, основными из которых являются коэффициент готовности, коэффициент технического использования. При этом для оценки этой характеристики использовалась и используется вероятность застать образец ВВТ в работоспособном состоянии в произвольный момент времени.

В системе эксплуатации при функционировании оборудования, его обслуживании, хранении возможны различные события: отказы, ремонты. При эксплуатации технологического оборудования (ТлОб) протекают случайные процессы, связанные с отказами, восстановлением, обслуживанием, при этом время пребывания в том или ином состоянии в общем случае является случайной величиной.

Необходимо описать процесс функционирования такой системы и определить вероятность нахождения ее в работоспособном состоянии, зная ее параметры, доступные для непосредственного измерения: среднее время работоспособного состояния, среднее время восстановления, среднее время обслуживания.

Для этого давно и успешно используется математический аппарат исследования функционирования систем массового обслуживания.

Аналогия системы массового обслуживания и системы эксплуатации заключается в том, что время пребывания ТлОб в том или ином состоянии, так же как и время обслуживания заявок являются случайными величинами, а переходы ТлОб из состояния в состояние аналогично потокам заявок. [1]

Таким образом, простейшая модель СЭ описывает нахождение ТлОб СТС в процессе эксплуатации в нескольких дискретных (различимых) состояниях. Уровень сложности модели определяется не только перечнем учитываемых факторов, но и соответствующим уровнем сложности самой технической системы, наличием в последней разнородных подсистем и элементов.

Для простых систем характерна эксплуатация в виде чередующихся интервалов безотказной работы и восстановления. Наиболее удобной моделью этой системы является графовая модель состояний, в которых могут находиться объекты в процессе эксплуатации, построенная с использованием теории марковских и полумарковских процессов. [2]

Рассмотрим простейшую модель процесса эксплуатации восстанавливаемого объекта с двумя возможными состояниями: работоспособное и неработоспособное (рис.1).

Рис. 1. Граф состояния модели эксплуатации необслуживаемой системы

В случайный момент времени объект может перейти в неработоспособное состояние (2) с интенсивностью отказов и быть переведен в работоспособное состояние (1) с интенсивностью восстановления .

Результаты исследования простейшей модели, рассмотренной выше, могут быть использованы для построения моделей управления техническим состоянием ТлОб с учетом проведения технического обслуживания, мониторинга технического состояния (ТС) и индивидуальных особенностей эксплуатации.

Одной из первых таких моделей является полумарковская модель Волкова Л. И., которая насчитывает 5 состояний (рис.2), а именно:

S ₁ — работоспособное состояние;

S ₂ — периодические проверки работоспособного ТлОб;

S ₃ — ТлОб восстанавливается после возникновения действительных, ложных и скрытых отказов;

S ₄ — ТлОб неработоспособно (скрытый отказ);

S ₅ — периодические проверки ТлОб со скрытым отказом.

Рис. 2. Модель Волкова Л. И.

Также широкое распространение в теории надежности получила модель профессора Сычева Е. И., которая уже насчитывает не только 6 состояний, но и описывает процесс эксплуатации более корректно и учитывает метрологическое обеспечение эксплуатации. Но в этой модели не учитывается состояние средств измерения и составляющая эффективности технического обслуживания, определяемая обеспеченностью запасными частями и стратегией их пополнения. Кроме того, существует еще ограничение в использовании данной модели процесса эксплуатации, обусловленное предположением об идентичности восстановления системы после ложной регистрации отказа и действительного обнаружения отказа.

Свободной от приведенных выше ограничений является модель Мищенко В. И., в которой присутствуют 7 состояний.

Ни одна из приведенных выше моделей не отражает специфики функционирования современной СЭ объектов наземной космической инфраструктуры, в частности, наличие в ее составе подсистемы мониторинга, информационная составляющая которой в основном базируется на методах неразрушающего контроля, и ее возможностей по определению предотказного состояния оборудования.

Наиболее адекватная модель, описывающая традиционную СЭ с подсистемой мониторинга, представлена на рис.3. [3]

ТлОб в данной модели может находиться в следующих состояний:

S ₁ — ТлОб работоспособно и готово к применению;

S ₂ — ТлОб неработоспособно и находится в состоянии скрытого отказа;

S ₃ — ТлОб находится в предотказном состоянии;

S ₄ — работоспособное ТлОб подвергается штатному контролю ТС;

S ₅ — ТлОб находится на восстановлении;

S ₆ — неработоспособное ТлОб подвергается штатному контролю ТС;

S ₇ — на ТлОб, находящемся в предотказном состоянии, проводятся контрольные операции мониторинга;

S ₈ — на ТлОб, находящемся в предотказном состоянии, проводятся ремонтно-профилактические работы.

В данной модели учитываются переходы, обусловленные ошибками I и II рода, которые могут иметь место при контроле ТС и ошибками II рода, которые могут быть допущены при ремонте ТлОб.

Рис. 3. Модель СЭ с подсистемой мониторинга

Наличие в составе СЭ исследуемого ТлОб подсистемы мониторинга позволяет уменьшить вероятность пребывания его в состоянии скрытого отказа за счет выявления предотказного состояния и принятия превентивных мер. Из предотказного состояния S ₃ ТлОб может прейти в состояние скрытого отказа ( ), либо в работоспособное состояние ( , , , ) после ремонтно-профилактических работ и операций контроля ТС.

Еще одной особенностью данной модели является возможность учитывать достоверность прогноза предотказного состояния и периодичность мониторинга, определяющие эффективность подсистемы мониторинга. [1]

Ввиду того, что для исследуемой модели СЭ используется математический аппарат теории марковских процессов, предполагаются следующие допущения:

— вероятностные характеристики процесса в будущем зависят только от его состояния в данный момент времени, и не зависит от того, когда и как система пришла в это состояние;

— время пребывания ТлОб в каком-либо состоянии распределено по экспоненциальному закону. [3]

Эволюция моделей СЭ обусловлена развитием стратегий управления ТС и позволяет учитывать особенности эксплуатации отдельных элементов СТС, а также мероприятия, направленные на поддержание эксплуатационных характеристик, например, обеспеченность и стратегии пополнения ЗИП.

Аналитические и численные методы исследования СТС могут вызвать значительные трудности, которые зачастую приводят к необходимости упрощения модели или введению ограничений и, соответственно, снижению достоверности получаемых результатов.

Поэтому наиболее применимым методом исследования СТС является имитационное моделирование, возможности которого позволяют решать задачи анализа, оценки и статистической обработки информации, учитывать различные факторы и воздействия на систему, учесть реальные законы распределения времени пребывания ТлОб в том или ином состоянии, полученные на основе статистических данных.

Особенность имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между её элементами.

Можно выделить основные преимущества имитационного моделирования:

— модель может содержать стохастические компоненты;

— в модели может параллельно функционировать и взаимодействовать множество компонентов;

— возможность проигрывать модель во времени и анимировать ее поведение.

При разработке имитационной модели СЭ в качестве исходных данных используем информацию об интенсивности отказов, среднем времени восстановления, периодичности и среднем времени контроля ТС, полученные по результатам мониторинга ТС ТлОб в процессе эксплуатации, а также рассматриваемый период эксплуатации.

Рис. 4. Имитационная модель СЭ, разработанная в среде AnyLogic

На примере приведенной модели эксплуатации одного элемента ТлОб, мы получили значение коэффициента готовности при использовании подсистемы мониторинга ТС. Таким образом, можно исследовать СТС в целом на основе моделей ее элементов и связей между ними.

Литература:

1. Перминов А. Н., Управление наземной космической инфраструктурой на основе мониторинга ее состояния // МО РФ. 2005. С. 61–129.
2. Волков Л. И., Управление эксплуатацией летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1981. 368 с.
3. Эксплуатация космических средств: теория и практика: учебник/под общ. ред. А. П. Ковалева. СПб: Изд-во ВКА им. А. Ф. Можайского, 2003. 482 с.