Анализ, моделирование и управление эксплуатационной надежностью газоаналитических систем мониторинга химических загрязнений
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АНАЛИЗУ ЭКСПЛУ АТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКИМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1. Назначение и применение газоаналитических систем мониторинга
как сложных технических систем
1.2. Общая характеристика современных методов выбора стратегии технического обслуживания, с учетом требований государственных и отраслевых стандартов
1.3. Состояние современных научных исследований по оптимизации стратегии технического обслуживания сложных технических систем методами математического моделирования
1.4. Анализ марковских и полумарковских моделей эксплуатации сложных технических систем как объектов исследования надежности 27 Выводы по главе 1
2. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ ЭКСПЛУ АТЬАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ХИМИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
2.1. Анализ газоаналитических систем мониторинга загрязнений как объекта исследования надежности
2.2. Методика системного подхода к обработке экспериментальной информации о показателях безотказности элементов газоаналитических систем мониторинга химических загрязнений с учетом показателя выживаемости
2.3. Методика применения нормативных стандартных методов оценки показателей безотказности элементов газоаналитических систем
2
мониторинга химических загрязнений
2.4. Разработка методики определения интенсивности отказов элементов газоаналитических систем мониторинга химических загрязнений по экспериментально-справочным данным
Выводы по главе 2
3. РАЗРАБОТКА ПОЛУМАРКОВСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАСМ ПО СВОЙТСВУ НАДЕЖНОСТИ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ ГАСМ
3.1. Разработка полумарковской модели эксплуатации ГАСМ по свойству надежности
3.2. Разработка алгоритма определения коэффициента готовности ГАСМ с использованием полумарковской модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности
3.3. Разработка алгоритма управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП
3.4. Разработка алгоритма управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения периодичности контроля
Выводы по главе 3
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГАСМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ПО УПРАВЛЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ ГАСМ
4.1. Архитектура и режимы функционирования комплекса программ «Коэффициент готовности ГАСМ»
3
73
4.2. Результаты определительных испытаний на надежность и обработки экспериментальных данных по безотказности элементов ГАСМ на основе стандартных методов и с использованием показателя выживаемости
4.3. Результаты применения методики определения интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным
4.4. Результаты вычислительных экспериментов по управлению эксплуатационной надежностью ГАСМ путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП
Выводы по главе 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, их достоверность, основные положения, выносимые на защиту. Приведены данные о структуре и объеме диссертационной работы.
В первой главе рассматривается назначение и область применения ГАСМ как сложной технической системы и как составной части ХТС, обеспечивающей выполнение требований высокой надежности и безопасности при эксплуатации ХТС.
Показано, что важнейшим организационным способом обеспечения эксплуатационной надежности ГАСМ является изменение режимов эксплуатации на основе стратегии ТОиР, реализация которой практически осуществляется за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП, что при использовании стандартных методов может приводить к чрезмерным (избыточным) объемам ЗИП и, соответственно, к
значительному увеличению капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание ГАСМ и, следовательно, ХТС в целом.
В первой главе обосновывается применение метода полумарковских (ПМ) цепей для разработки математической модели эксплуатационной надежности. Рассматривая процесс эксплуатации ГАСМ по свойству надежности как ПМ процесс, коэффициент готовности ГАСМ определяется как стационарная вероятность пребывания ПМ процесса в работоспособных состояниях:
, (1) где – стационарная вероятность пребывания ПМ процесса в j-м состоянии; – среднее время пребывания ПМ процесса в j-м состоянии, n – общее количество
состояний ПМ процесса, k – количество работоспособных состояний.
В работе эволюция ПМ процесса описывается двумя матрицами – матрицей
условных стационарных вероятностей перехода ПМ процесса из i-го состояния в j-e и матрицей условных функций распределения времени пребывания ПМ процесса в i-м состоянии, при условии следующего перехода в j-е состояние.
В первой главе рассматриваются различные ПМ модели процесса эксплуатации СТС, отличающихся учётом влияния различных временных параметров процесса эксплуатации, уровня безотказности и эффективности средств контроля.
Проанализировано состояние современных научных исследований по оптимизации стратегии ТОиР для СТС методами математического моделирования с применением априорной и апостериорной информации о надежности СТС. Рассмотрены методы построения математических моделей, сложности, с которыми сталкиваются исследователи в разработке математических моделей ТОиР.
Вторая глава посвящена анализу ГАСМ как объекта исследования (ОИ) надежности, являющимся первым этапом методики разработки математической ПМ модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности, состоящей из следующих этапов:
нализ блок-схемы надежности ГАСМ;
Шаг 1.3 ‒ разработка и анализ модели смены состояний ГАСМ в виде диаграммы
смены состояний (ДСС).
Разработка ПМ модели процесса эксплуатации ГАСМ:
условных стационарных вероятностей перехода ПМ процесса из i-го состояния в j-e и условных функций распределения времени пребывания ПМ процесса в i-м состоянии, при условии следующего перехода в j-е
состояние;
Шаг 2.2 ‒ определение вероятности пребывания ГАСМ в работоспособных
состояниях.
Рассмотрены сущность основных операций на каждом шаге разработанной
методики. На шаге 1.1 проводят общий анализ особенностей функционирования системы как ОИ надежности и обосновывается выбор коэффициента готовности в качестве показателя надежности для ГАСМ. На шаге 1.2 разрабатывают и анализируют структурную блок-схему надежности, на которой ГАСМ представляется в виде последовательного соединения независимых в смысле отказов, однородных подсистем (ПС). Пример блок-схемы надежности специализированной ГАСМ приведён на рисунке 1.
Этап 1. Анализ ГАСМ как ОИ надежности:
Шаг 1.1 ‒ общий анализ функционирования ГАСМ как ОИ надежности;
Шаг 1.2 ‒ разработка и а
Этап 2.
Шаг 2.1 ‒ определение
БУС
Клапан No1
Клапан No14
БУК
Газоанали- затор No1
Газоанали- затор No2
БУС
Клапан No1
Клапан No14
БУК
Газоанали- затор No1
Газоанали- затор No2
ПС5 ПС3 ПС4 ПС1 ПС2
Рисунок 1. Блок-схема надежности ГАСМ (БУС – блок управления и связи, БУК –
блок управления клапанами)
На шаге 1.3 проводится анализ процесса эксплуатации по свойству надежности,
где последовательность смены состояний «работа, неисправность, диагностика, ремонт»
отображается в виде ДСС, на которой указываются работоспособные состояния и
временные параметры процесса эксплуатации (см. рис. 2).
C3C3 C3
C5 C5C5Тк C5
Тоб
Тк
Тоб
C7
Тоб
Тк
C1
C1
C2
C8 C8 C8 C8
C1
C3 C3
C4 C4 Тд C1 C1 C1
Время
C9
Тоб
C6
Тк
C5
C7 C7Тк C7
C5
Тоб
C2
C5 Тоб
C9
C4 C1
Тоб
C10
C8 C8
C6
Тд
C10
Тв
C1 C1
C8 C8
Время
Тв
C8
C2
Рисунок 2. ДСС специализированной ГАСМ
Состояния ГАСМ, указанные на ДСС: C1 – исправное состояние, С2 – неработоспособное состояние (основной и резервный элемент (РЭ) отказали), С3 – диагностика исправной ГАСМ, С4 – неисправное состояние (отказ основного элемента, РЭ исправен), С5 – контроль технического состояния неисправной ГАСМ (выявление отказа основного и исправного состояния РЭ), С6 – экстренное восстановление работоспособности за счет экстренной доставки запасного элемента, С7 – контроль технического состояния неработоспособной ГАСМ (выявление отказа основного и РЭ), С8 – работоспособное состояние ГАСМ (отказ основного, РЭ исправен), С9 – полное восстановление ГАСМ до исправного состояния с использованием ЗИП, С10 – неполное восстановление ГАСМ с использованием ЗИП. Работоспособными состояниями являются состояния С1, С3, С4, С5 и С8, остальные состояния – неработоспособные. Временные параметры ДСС – продолжительность и периодичность контроля технического состояния, длительность восстановления и продолжительность экстренной доставки . Длительность восстановления и продолжительность
экстренной доставки являются случайными величинами, которые до получения результатов эксплуатации могут быть предварительно заданы своими большими значениями.
Определение показателей безотказности проводится при помощи разработанной методики расчета показателей безотказности элементов ГАСМ с использованием экспериментально-справочных данных, состоящей из четырех этапов.
Этап 1. Общий анализ функционирования элементов ГАСМ как ОИ надежности.
Этап 2. Определение интенсивности отказов составных блоков элементов ГАСМ на основе справочной информации по надежности ЭРИ:
Шаг 2.1 Выделение групп ЭРИ с единым набором коэффициентов математической модели надёжности (ММН);
Шаг 2.2 Составление карт режимов работы ЭРИ. Определение значений коэффициентов ММН;
Шаг 2.3 Вычисление интенсивности отказов ЭРИ в соответствии с ММН;
Шаг 2.4 Определение интенсивности отказов составных блоков элементов ГАСМ. Этап 3. Получение и обработка экспериментальных данных по безотказности
составных блоков элементов ГАСМ с использованием метода таблиц времени безотказной работы, метода Каплана-Майера и стандартного метода.
Этап 4. Определение показателей безотказности элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным:
Шаг 4.1 Определение вероятности безотказной работы элементов ГАСМ;
Шаг 4.2 Определение интенсивности отказов элементов ГАСМ путем аппроксимации вероятности безотказной работы экспоненциальной функцией.
Третья глава посвящена разработке ПМ модели процесса эксплуатации ГАСМ и разработке алгоритмов управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП и за счет изменения периодичности контроля технического состояния.
Путем анализа физической сущности процесса эксплуатации ГАСМ, определяются условные стационарные вероятности перехода системы из i-го состояния в j-e и условные функции распределения времени пребывания ПМ процесса в i-м состоянии, при условии следующего перехода в j-е состояние. Для определения процесс эксплуатации ГАСМ по свойству надежности представляется в виде ориентированного графа смены состояний (ГСС) (см. рис. 3), вершины которого соответствуют различным состояниям ГАСМ, а дуги отображают возможные направления переходов из одного состояния в другое.
Для исследования влияния на комплексный показатель надежности ГАСМ основных временных параметров процесса эксплуатации, структурно-технической сложности, уровня ремонтопригодности и различных стратегий восстановления – за счет использования ЗИП и за счет экстренной доставки необходимо обладать данными о безотказности элементов ГАСМ.
10
1
C9
R2
C1C3C5 C2
(1-R)2
1
C4 1C8 C6
C7
R
1 1
C10
Рисунок 3. Граф смены состояний ГАСМ (R – вероятность отказа элемента, P – вероятность отказа ЗИП)
Для определения вероятности отказа ЗИП (P), процесс расходования запасных частей рассматривается как Марковский процесс «гибели-размножения», при этом показано, что вероятность отказа ЗИП можно определить по формуле:
, (2) где – количество запасных частей конкретного типа в ЗИП, n – количество одинаковых составных частей, входящих в состав основного и РЭ конкретной
подсистемы ГАСМ; – интенсивность отказов элементов конкретного типа.
Результаты определения среднего времени пребывания ПМ процесса в i-м
состоянии, выполненные с применением символьных вычислений в программе Mathcad: (3)
Результаты определения стационарных вероятностей пребывания ПМ процесса в i-м состоянии, выполненные с применением символьных вычислений в программе Mathcad:
(4)
Вероятность пребывания ГАСМ в работоспособных состояниях и, соответственно, коэффициент готовности ГАСМ, можно определить из уравнения (1):
, (5) где определяются выражениями (4), а – выражениями (3).
Выражение (5) представляет собой математическую ПМ модель процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности, которая учитывает и позволяет исследовать влияние на комплексный показатель надежности ГАСМ основных временных параметров процесса эксплуатации, структурно-технической сложности,
11
2R(1-R)
1-P
1-R
P
1-P
P
уровня безотказности, ремонтопригодности и различных стратегий восстановления – за счет использования ЗИП и за счет экстренной доставки.
Разработан алгоритм определения коэффициента готовности ГАСМ с использованием ПМ модели, позволяющий определить достаточность экспериментальных данных для управления эксплуатационной надежностью ГАСМ путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля (см. рис. 4).
Составление структурной схемы надежности ГАСМ
Составление структурной схемы надежности элементов
Выбор коэффициентов ММН
Вычисление интенсивности отказов ЭРИ
Начало алгоритма
Анализ КД и ЭД ГАСМ
Составление карт режимов ЭРИ
Задание временных параметров ТОиР (Тm,Tr, Тd, Тc, Ke)
Планирование и проведение испытаний на надежность
Вычисление вероятности безотказной работы элементов ГАСМ
Задание состава ЗИП
Увеличение выборки и продолжительности испытаний
Обработка ЭИ j-м методом
да
нет
да
нет
j=1
Аппроксимация вероятности безотказной работы экспоненциальной функцией
Влияют различные способы обработки ЭИ на значение Fa
j≤3
Fa вычислено с использованием всех способов обработки ЭИ?
Вычисление вероятности отказа ЗИП
j=j+1
i=1
i=i+1
нет
Вычисление Fa для i-й ПС по формуле (3.12)
Окончание алгоритма
Вычисление Fa для ГАСМ
да
i≤N
Fa определено для всех ПС?
Рисунок 4. Блок-схема алгоритма определения коэффициента готовности ГАСМ с использованием ПМ модели
В соответствии с разработанным алгоритмом, если расхождение в результатах определения с использованием результатов обработки экспериментальных данных, полученных методом таблиц времени безотказной работы, методом Каплана-Майера и стандартным методом, не превышает заданного значения, то это свидетельствует о достаточности количества испытываемых изделий и продолжительности испытаний, в противном случае количество изделий и/или продолжительность испытаний увеличивается.
Алгоритм управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП состоит из 5-ти этапов (см. рис. 5):
Этап 1. Подготовка исходных данных для компьютерного моделирования. Сортировка подсистем ГАСМ в порядке возрастания надежности элементов.
Этап 2 Задание начального количества запасных частей конкретного вида, входящих в ЗИП. Для исключения формирования избыточных запасов начальное количество запасных частей принимается равным нулю.
Этап 3. Расчет вероятности отказа ЗИП по формуле (2).
Этап 4. Расчет коэффициента готовности ГАСМ по формуле (5).
Этап 5. При превышении вычисленного коэффициента готовности ГАСМ заданного значения, работа алгоритма прекращается и ЗИП считается определенным. В противном случае, сравнивается стоимость ЗИП с заданными ограничениями и при их превышении дальнейшие вычисления ЗИП прекращаются. Если не превышены стоимостные ограничения, то увеличивается количество запасных частей и повторяются вычисления по этапу 2, 3, 4.
Алгоритм реализован в компьютерной программе «Программа управления эксплуатационной надежностью газоаналитических систем мониторинга окружающей среды», реализованной в среде Matlab.
да
Начало алгоритма
j>N
(Для всех ПС проверена необходимость увеличения ЗИП)?
j=j+1
(Переход к следующему ПС)
nj=nj+⌊lg(μ j)⌋+1 (увеличение запасов ЗИП для j-й ПС )
да
Сортировка ПС т.о, чтобы λ1≥ λ2≥…≥λN
Задание начальных запасов ЗИП для каждой ПС n1=n2=…=nN=0
нет
j=1 i=1
i=i+1
нет
да
Вычисление вероятности отказа ЗИП Pi
Вычисление коэффициента готовности i-й ПС Fai
нет
i>N
Σ Prj*nj>Pr(max)
Вычисление коэффициента готовности ГАСМ Fa
да
нет
Окончание алгоритма
Оптимальный (или максимальный по цене) комплект ЗИП, состоящий из n1, n2,…,nN запасных частей
Вычисление стоимости ЗИП Σ Prj*nj
Fa≥Fa(min)
Рисунок 5. Блок-схема алгоритма управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП
Из анализа физической сущности процесса эксплуатации по свойству надежности следует, что при заданной номенклатуре и объемах ЗИП оптимальным значением периодичности контроля можно считать его максимальное значение, при котором коэффициент готовности еще соответствует требуемому значению. Алгоритм управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения периодичности контроля состоит из 4-х этапов:
Этап 1. Определение интенсивности отказов элементов ГАСМ
Этап 2 Задание номенклатуры и объемов ЗИП
Этап 3. Расчет коэффициента готовности ГАСМ по формуле (5).
Этап 4. При превышении коэффициента готовности ГАСМ заданного значения
продолжительность контроля увеличивается, в противном случае уменьшаем шаг изменения и продолжительность контроля и повторяем вычисления по этапу 4. Из практических соображений удобно, чтобы продолжительность контроля была кратна 24 часам, поэтому вычисления прекращают, если становится меньше 24 часов.
Последовательность вычислений на этапах 2, 3, 4 алгоритма проводится с использованием компьютерной программы «Программа вычисления показателей эксплуатационной надежности газоаналитических систем мониторинга окружающей среды», реализованной в среде Matlab.
Четвёртая глава посвящена архитектуре и режимам функционирования разработанного комплекса программ «Коэффициент готовности ГАСМ», предназначенного для управления эксплуатационной ГАСМ путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля. Комплекс программ состоит из модулей – обработки экспериментальных данных, расчета вероятности отказа ЗИП, расчета интенсивности отказов элементов, расчета стоимости ЗИП и программ – «Автоматизированная система расчета надежности», «Программа управления эксплуатационной надежностью газоаналитических систем мониторинга окружающей среды», «Программа вычисления показателей эксплуатационной надежности ГСМОС».
В состав разработанного комплекса программ входят программы Matlab (вер. R2017b), Mathcad 15, Excel, АСРН-2006.
В главе приведены результаты испытаний на надежность таких составных частей ГАСМ как электрохимические датчики, инфракрасные излучатели, электромеханических клапаны и побудители расхода. Приведены результаты определения интенсивности отказов элементов ГАСМ с использованием трех методов обработки экспериментальных данных – стандартного, метода таблиц времени безотказной работы и метода Каплана-Майера.
Для специализированной ГАСМ приведены результаты вычислительных экспериментов с использованием разработанных алгоритмов по управлению эксплуатационной надежностью за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП и приводятся разработанные научно-обоснованные рекомендации по изменению структуры, номенклатуры и объемов ЗИП, обеспечивающие снижение капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание специализированных ГАСМ.
Заключение
1. С использованием методологии системного анализа была разработана математическая ПМ модель процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности, отличающаяся учётом влияния на комплексный показатель надежности ГАСМ основных временных параметров процесса эксплуатации, структурно-технической сложности, уровня безотказности, ремонтопригодности и различных стратегий восстановления – за счет использования ЗИП и за счет экстренной доставки, что позволило разработать алгоритмы управления эксплуатационной надежностью специализированной ГАСМ на основе изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля.
2. Разработана методика определения интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным, отличающиеся одновременным использованием трех методов обработки экспериментальных данных – стандартного, метода таблиц времени безотказной работы и метода Каплана-Майера, что позволило определить интенсивность отказов элементов ГАСМ для малых выборок в условиях возможного выбывания изделий из-под наблюдений по причинам не связанных с отказом.
3. Разработаны алгоритмы управления эксплуатационной надежностью путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля, отличающиеся использованием ПМ модели и позволившие снизить капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание специализированных ГАСМ.
4. Разработан комплекс программ «Коэффициент готовности ГАСМ», отличающийся использованием разработанных алгоритмов и методики расчета интенсивности отказов элементов ГАСМ, позволяющий автоматизировать многоэтапные вычисления коэффициента готовности при разработке научно- обоснованных рекомендаций по изменению номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля для управления эксплуатационной надежностью широкого круга сложных ХТС.
Газоаналитические системы мониторинга (ГАСМ) химических загрязнений – это сложные контрольно-измерительные системы, предназначенные для измерений одного или нескольких компонентов газовой смеси в технологических потоках химико-технологических систем (ХТС), оценки эффективности процессов сжигания топлива, для экологического контроля и обеспечения требований высокой надежности и безопасности при эксплуатации ХТС.
ГАСМ состоят из устройств пробоотбора и пробоподготовки, газоаналитических преобразователей и универсальных аналитических приборов, функционирование которых осуществляется с использованием специального программно-информационного обеспечения.
Общими свойствами ГАСМ как объекта анализа надежности является их многофункциональность и структурно-техническая сложность и, как следствие, наличие смены большого числа возможных состояний «работа-отказ- диагностика-ремонт» при эксплуатации.
Использование специализированных ГАСМ для контроля концентрации химических загрязнений и для обеспечения требований высокой надежности и безопасности при эксплуатации ХТС требует, в свою очередь, обеспечения высокой эксплуатационной надежности ГАСМ с использованием аппаратных и организационных способов..
Важнейшим организационным способом обеспечения надежности является изменение режимов эксплуатации на основе стратегии технического обслуживания и ремонта (ТОиР), реализация которой практически может осуществляться за счет изменения номенклатуры и объемов комплекта запасных частей, инструмента и принадлежностей (ЗИП), что при использовании стандартных методик может приводить к чрезмерным (избыточным) объемам ЗИП, соответственно, к значительному увеличению капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание ГАСМ. При разработке научно-обоснованной оптимальной стратегии ТОиР, необходимо учитывать структурно-техническую сложность ГАСМ и смену возможных состояний «работа, неисправность, диагностика, ремонт», которые могут формально отображаться моделями полумарковских цепей, позволяющих учитывать взаимозависимость состояний отказов и восстановления отдельных элементов. Разработка полумарковской модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности и алгоритмов управления эксплуатационной надежностью ГАСМ на основе оптимизации стратегии ТОиР представляет собой новую сложную научную задачу. Основу решения этой научной задачи составляет разработка полумарковской модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности и алгоритмов управления эксплуатационной надежностью ГАСМ на основе оптимизации стратегии ТОиР, которые обеспечивают определение комплексных показателей эксплуатационной надежности с учетом характерных особенностей формирования ЗИП специализированных ГАСМ.
Актуальность темы настоящей диссертационной работы подтверждается соответствием основных разделов диссертации следующим нормативно- правовым документам:
– Задачам Национальной технологической инициативы, предложенной Президентом РФ В.В. Путиным в послании Федеральному собранию от 04 декабря 2014г. и
– «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», утвержденной Указом Президента РФ No642 от 01 декабря 2016 г.
– Основным положениям Указа Президента РФ No889 от 04 июня 2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики».
– Основным положениям Указа Президента РФ, утверждённым от 7 июля 2011г. No899. Перечню приоритетных направлений: «8. Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» и перечню критических технологий «13. Технологии информационных, управляющих, навигационных систем»; – Пункту Плана фундаментальных исследований РАН на период до 2025 года: «4. Информатика: разработка фундаментальных проблем искусственного интеллекта, распознавание образов, оптимизации, проблемно-ориентированных систем и экспертных систем, основанных на знаниях».
На основании вышеизложенного, несомненную актуальность имеет поставленная и решенная в диссертационной работе новая научная задача разработки полумарковской модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности и алгоритмов управления эксплуатационной надежностью ГАСМ на основе оптимизации стратегии ТОиР.
Степень научной разработанности темы исследования.
Методы управления эксплуатационной надежностью на основе оптимизации стратегии ТОиР сложных технических систем (СТС) разрабатываются с середины 1960-х годов. В эти и последующие годы опубликованы научные работы Кокса Д., Смита В. и Кемени Д., в которых впервые были рассмотрены полумарковские процессы восстановления. В работах Ушакова И.А получила развитие теория полумарковских процессов и ее приложения для решения задач эксплуатационной надежности СТС. Вопросам расчета надежности СТС посвящены работы Вентцель Е.С., Яглома А.М. В работах Финкельштейна М.С., Рубальского Г.Б., Семенова С.Х. и Шура-Бура А.Э., были рассмотрены различные стратегии пополнения и модели учета объема ЗИП. Проблеме обеспечения надежности СТС на основе ЗИП посвящены работы профессора Г.Н. Черкесова, Чуркина В.В. и Степанова Ю.В. Большой вклад в развитие методов оптимизации эксплуатационной надежности ХТС, установок и нефтегазохимических комплексов внесен работами научной школы академика РАН Мешалкина В.П., члена-корреспондента РАН Махутова Н.А., профессоров Северцева Н.А., и др. Использование полумарковских математических моделей для управления эксплуатационной надежностью СТС рассмотрены в работах профессоров Е.И. Сычева, В.И. Мищенко, Палюха Б.В.
Алгоритмы расчета показателей надежности и управления эксплуатационной надежностью ХТС предложены в работах Ляшенко Л.П., Игнатова В.Н., Кришнева В.К., Голунова Р.Ю., Кленова С.Г., Степанова Р.Р. и Аль-Азази, выполненных под научным руководством академика РАН В.П. Мешалкина, активно развивающего в настоящее время научные исследования по методам оптимизации надежности сложных ХТС нефтегазохимического комплекса.
Цель диссертационной работы: разработка математических моделей и алгоритмов управления эксплуатационной надежностью ГАСМ, позволяющих снизить капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание ХТС.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие взаимосвязанные научно-технические задачи:
1) Анализ функционирования ГАСМ как объекта исследования надежности;
2) Разработка математической полумарковской модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности;
3) Разработка методики определения интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным, полученным в результате испытаний на надёжность малых выборок в условиях возможного выбывания изделий из-под наблюдения по причинам, не связанных с отказом;
4) Разработка алгоритма определения коэффициента готовности ГАСМ с использованием полумарковской модели процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности;
5) Исследование математической полумарковской модели процесса эксплуатации и разработка алгоритмов управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП и за счет изменения периодичности контроля;
6) Разработка комплекса программ, предназначенного для автоматизации многоэтапных вычислений для управления эксплуатационной надежностью специализированных ГАСМ путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля;
7) Проведение испытаний на надежность и определение интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным; 8) Проведение вычислительных экспериментов с использованием алгоритма управления эксплуатационной надежностью ГАСМ за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП для снижения капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание ГАСМ..
Методология и методы исследования:
В работе использовались методы системного анализа, теории вероятностей и случайных процессов, теории надежности, методы вычислительной математики, методы и средства математического программирования.
Научная новизна:
С использованием методологии системного анализа сложных физико- химических систем как объектов управления:
1) Разработана полумарковская модель процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности, отличающаяся учётом влияния на комплексный показатель надежности Г АСМ основных временных параметров процесса эксплуатации, структурно-технической сложности, уровня безотказности, ремонтопригодности и различных стратегий восстановления – за счет использования ЗИП и за счет экстренной доставки, что позволяет исследовать влияние вышеперечисленных параметров на коэффициент готовности ГАСМ.
2) Разработана методика определения интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным, отличающиеся одновременным использованием трех методов обработки экспериментальных данных – стандартного, метода таблиц времени безотказной работы и метода Каплана- Майера, что позволяет определять интенсивность отказов элементов ГАСМ для малых выборок в условиях возможного выбывания изделий из-под наблюдений по причинам не связанных с отказом.
3) Разработан алгоритм определения коэффициента готовности ГАСМ, отличающийся использованием полумарковской модели, что позволяет определить достаточность экспериментальных данных для управления эксплуатационной надежностью путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля. 4) Разработаны алгоритмы управления эксплуатационной надежности путем изменения:
a) номенклатуры и объемов ЗИП;
б) периодичности контроля,
отличающиеся использованием полумарковской модели и позволяющие
снизить капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание специализированных ГАСМ.
Практическая значимость:
1) Для специализированной ГАСМ проведены испытания на надёжность и определены интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально- справочным данным, что позволило определить коэффициент готовности при заданной номенклатуре и объемах ЗИП и временных параметрах процесса эксплуатации и подтвердить выполнение требований по надежности, предъявляемых к специализированной ГАСМ
2) Проведены вычислительные эксперименты с использованием разработанного алгоритма управления эксплуатационной надежностью за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП, что для специализированной ГАСМ позволило разработать научно обоснованные рекомендации по изменению структуры, номенклатуры и объемов ЗИП, обеспечивающие снижение капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание ГАСМ.
3) Разработан комплекс программ «Коэффициент готовности ГАСМ», отличающийся использованием разработанных алгоритмов и методики расчета интенсивности отказов элементов ГАСМ, предназначенный для автоматизации многоэтапных вычислений для управления эксплуатационной надежностью путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля как для специализированных ГАСМ, так и для широкого круга сложных ХТС.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Полумарковская модель процесса эксплуатации ГАСМ по свойству надежности, отличающаяся учётом влияния на комплексный показатель надежности Г АСМ основных временных параметров процесса эксплуатации, структурно-технической сложности, уровня безотказности, ремонтопригодности и различных стратегий восстановления – за счет использования ЗИП и за счет экстренной доставки, что позволяет исследовать влияние вышеперечисленных параметров на коэффициент готовности ГАСМ.
2) Методика определения интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным, отличающаяся одновременным использованием трех методов обработки экспериментальных данных – стандартного, метода таблиц времени безотказной работы и метода Каплана- Майера, что позволяет определять интенсивность отказов элементов ГАСМ для малых выборок в условиях возможного выбывания изделий из-под наблюдений по причинам не связанных с отказом.
3) Алгоритм определения коэффициента готовности ГАСМ, отличающийся использованием полумарковской модели, что позволяет определить достаточность экспериментальных данных для управления эксплуатационной надежностью путем изменения номенклатуры и объемов ЗИП и периодичности контроля.
4) Алгоритмы управления эксплуатационной надежности путем изменения: a) номенклатуры и объемов ЗИП;
б) периодичности контроля,
отличающиеся использованием полумарковской модели и позволяющие
снизить капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание специализированных ГАСМ.
5) Результаты испытаний на надёжность и определения интенсивности отказов элементов ГАСМ по экспериментально-справочным данным, что позволило определить коэффициент готовности специализированной ГАСМ при заданных временных параметрах процесса эксплуатации и номенклатуре и объемах ЗИП и подтвердить выполнение требований по надежности, предъявляемых к специализированной ГАСМ;
6) Результаты вычислительных экспериментов с использованием разработанных алгоритмов по управлению эксплуатационной надежностью за счет изменения номенклатуры и объемов ЗИП, что позволило разработать научно обоснованные рекомендации по изменению номенклатуры и объемов ЗИП, обеспечивающие снижение капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание ГАСМ.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов
обеспечивается корректностью используемого математического аппарата теории надежности, достаточным объемом экспериментальных данных, применением апробированных научных методов исследований и современным математическим аппаратом обработки результатов.
Личный вклад автора. Анализ литературной информации, теоретические и экспериментальные исследования, результаты работы получены Канищевым О.А. лично под руководством д.т.н. Бобкова В.И.
Апробация работы. Основные положения докладывались на следующих международных научно-технических конференциях и совещаниях: международных конференциях «Энергетика, информатика, инновации – 2020» (г. Смоленск, 2020), и «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2019), «Математическое моделирование» НИУ МАИ (г. Москва, 2020).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 24 печатных работ, в том числе 5 публикации в журналах, индексируемых в международных системах WoS и Scopus; 7 публикаций в журналах из перечня рецензируемых научных изданий.
Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и 5 приложений. Диссертация содержит 160 страниц, 23 рисунка и 27 таблиц.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (49 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
5 (14 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
5 (20 отзывов)
5 (91 отзыв)
4.8 (30 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
