Развитие методов управления надежностью сложных технических систем с зависимыми отказами элементов

Управление надежностью технических систем промышленного производства — одна из основных задач контроля качества производственного процесса. Появление, развитие и распространение сложных систем, компонентами которых являются технические устройства, требует новых подходов к оценке их надежности. Одним из важнейших вопросов теории и практики надежности сложных технических систем (СТС) является математическое моделирование функционирования систем, разработка формализованных методов и алгоритмов расчета, анализа, прогнозирования и управления их надежностью.

Важнейшим понятием в теории надежности является понятие отказа. Отказ часто ведет к катастрофическим последствиям, отсюда вытекают повышенные требования к надежности, а также к современным методам анализа и управления надежностью.

Вопросы принятия технических решений по обеспечению надлежащего уровня надежности СТС связаны с количественной оценкой их надежности и тем самым с разработкой новых методов анализа надежности. Вследствие различных причин мы вынуждены исследовать не саму систему, а формальное описание тех ее особенностей, которые существенны для оценки надежности. Таким образом, для вычисления надежностных характеристик СТС необходимо создание математической модели надежности, а также разработка методов, алгоритмов и программ анализа надежности с помощью ЭВМ.

Влияние видов законов распределения длительности безотказной работы элементов на надежность системы, учет особенностей функционирования систем приводят к необходимости исследования систем с произвольными законами распределения.

В настоящее время большинство практических расчетов в области надежности предполагает использование экспоненциального закона распределения времени между отказами элементов и независимость их отказов. Однако, известно, что использование экспоненциального закона, как правило, приводит к существенному расхождению аналитических и экспериментальных данных о надежности СТС.

Одним из серьезных допущений известных методов является предположение о независимости элементов системы. Однако во многих задачах надежности необходимо учитывать зависимость элементов, которая возникает из-за того, что они работают в одних и тех же условиях, подвержены одним и тем же внешним нагрузкам и т. д. В данной ситуации анализ надежности значительно усложняется, так как возникает необходимость оперировать с многомерными распределениями вероятностей. Задача еще более усложняется, если вообще нет сведений о том, зависимы ли элементы системы или нет.

Положение усугубляется также и тем, что сравнительно небольшой круг специалистов в области надежности СТС за последние годы заметно поредел. К решению задач надежности в настоящее время привлекаются недостаточно квалифицированные в этой области инженеры и техники. Выход из положения может быть найден при в разработке новых методов и алгоритмов расчета, анализа и управления надежностью СТС.

Таким образом, цель диссертационной работы состоит в разработке, исследовании и реализации научно обоснованных методов и алгоритмов управления надежностью СТС с произвольными распределениями длительности безотказной работы элементов и с учетом причинно-следственных зависимостей между их отказами на основе всесторонней обработки информации об отказах элементов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

— разработка методики определения показателей надежности элементов СТС при произвольных распределениях длительности безотказной работы элементов и цензурированных данных;

— классификация элементов исследуемых СТС на основе их показателей надежности;

— разработка причинно-следственных алгоритмов для выявления зависимых отказов элементов СТС;

— разработка вероятностного метода анализа надежности СТС с произвольной структурой соединения элементов, учитывающих причинно-следственные зависимые отказы элементов в системе;

— разработка математической модели надежности СТС, с целью управления надежностью СТС;

-' разработка основных принципов системы сбора и обработки информации по отказам СТС металлургического производства;

— исследование эффективности представленных методов и алгоритмов на ' примере решения реальных задач теории надежности, имеющих важное самостоятельное практическое значение.

Применительно к СТС, в итоге выполнения данного научного исследования получены методика, метод, алгоритм и модель, которые вместе с традиционными, а зачастую в отличие от них, позволяют решить следующие проблемы управления надежностью: произвольные законы распределения длительности безотказной работы элементов, наличие цензурированных данных, взаимосвязи между отказами элементов.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе сформулированы основные проблемы анализа надежности СТС, дается характеристика отказов. Проводится анализ существующих методов оценивания надежности СТС. Показано, что сложность решения задач анализа надежности СТС обусловлена неполнотой исходной информации о надежности систем.

Вторая глава посвящена разработке методики, метода, алгоритма и модели, развивающим и комбинирующим существующие подходы анализа и управления надежностью СТС с произвольными законами распределений длительности безотказной работы и зависимыми отказами элементов. Управление надежностью СТС состоит из следующих основных этапов: организация системы сбора информации, необходимой для проведения исследования, и составление ее оптимальной структурыопределение функций отказов, оптимально описывающих распределение времени наработки на отказ отдельных элементов СТСклассификация элементов СТС в соответствии с их показателями надежностивыявление зависимых отказов элементов СТСсоставление математической модели надежности СТС с целью управления ее показателями надежности.

В третьей главе представлено применение описанных в диссертационной работе методик управления надежностью и классификации элементов СТС на примере оборудования стана горячей прокатки 2000 (Листопрокатный цех № 3) ОАО «НЛМК» .

В четвертой главе представлен анализ и управление надежностью СТС с зависимыми отказами и произвольными распределениями длительности безотказной работы элементов на примере непрерывно-травильного агрегата № 1 (НТА-1) Листопрокатного производства (ЛПП) ОАО «НЛМК». Анализ и управление НТА-1 состоит из следующих основных этапов: определение функций отказов узлов НТА-1- выявление зависимых отказовпостроение математической модели надежности НТА-1- анализ и управление надежностью НТА-1.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— развивающая и обобщающая существующие подходы методика определения вида закона распределения вероятностей и его параметров, оптимально описывающего длительность безотказной работы элементов СТС, позволяющая управлять надежностью СТС при произвольных распределениях времени наработки на отказ элементов;

— алгоритм выявления причинно-следственной взаимосвязи между событиями, позволяющий учитывать зависимые отказы элементов СТС;

— вероятностный метод анализа и управления надежностью СТС с произвольной структурой соединения элементов, отличающийся учетом причинно-следственных зависимых отказов между элементами в системематематическая модель надежности, обеспечивающая управление надежностью СТС, отличающаяся возможностью учета произвольных распределений длительности безотказной работы элементов системы, наличия цензуриро-ванных данных и зависимых отказов элементов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В диссертационной работе разработаны методика, алгоритм и вероятностный метод анализа и управления надежностью СТС с учетом причинно-следственных зависимых отказов, цензурированных наблюдений, с произвольными законами распределений длительности безотказной работы элементов. Представлены математические модели надежности элементов и технических систем.

В диссертационной работе получены следующие основные теоретические и практические результаты.

1. Предложена методика определения вида закона распределения вероятностей и его параметров, оптимально описывающего длительность безотказной работы элементов СТС, которая развивает и обобщает существующие подходы.

2. Разработан алгоритм выявления зависимых отказов между элементами СТС, в основе которого лежат принципы причинно-следственного анализа.

3. Разработан вероятностный метод анализа надежности СТС с произвольной структурой соединения элементов с причинно-следственными зависимыми отказами элементов в системе.

4. Построена математическая модель, обеспечивающая управление надежностью невосстанавливаемых СТС, учитывающая произвольные распределения отказов элементов системы, цензурированные данные и зависимые отказы элементов.

5. Проведен сравнительный анализ надежности СТС с существующими и разработанными в диссертационной работе методами.

6. Предложено использование методов непараметрической статистики для классификации элементов СТС в соответствии с их показателями надежности.

7. Разработана система сбора и обработки информации для задач анализа отказов СТС металлургического производства.

8. Предложен подход к анализу надежности СТС на основе разработанного программного комплекса, сочетающего в себе научно-обоснованные математические методы с простотой их практического использования.

9. Предложенные в работе модели и методы позволили снять целый ряд допущений, присутствовавших ранее при анализе и управлении надежностью СТС, и тем самым существенно расширить класс решаемых задач и повысить достоверность результатов.

10. Основные положения диссертационной работы использованы для создания научных основ и практических методов анализа и управления надежностью СТС металлургического производства:

— проведена оптимизация сроков безотказной работы подшипников качения валковых опор стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК» ;

— выделены две группы сопел системы гидросбива окалины стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК», обладающие разной степенью износавыданы рекомендации, направленные на ужесточение требований к техническому обслуживанию сопел первой группы, с целью повышения вероятности безотказной работы системы гидросбива в межремонтные периоды;

— построена математическая модель надежности и функция отказов НТА-1- в результате исследований, проведенных в диссертационной работе, установлены узлы, оказывающие наибольшее влияние на время безотказной работы данного агрегата;

— пересмотрен стандарт предприятия системы менеджмента качества «Статистический анализ простоев технических устройств прокатных цехов» .

Основное содержание работы изложено в публикациях [18, 19, 51−54, 58].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Существующие в настоящее время математические модели функционирования СТС в смысле их надежности основаны на допущениях, существенно сужающих анализ надежности СТС. К таким допущениям относятся:

— отсутствуют приработка и старение элементов СТС, интенсивность отказов элементов постоянная;

— каждый элемент имеет только два возможных состояния;

— отсутствует учет зависимых отказов элементов.

Эти допущения могут приводить к ошибкам расчета показателей надежности, недопустимых с практической точки зрения.

Используемые в настоящее время методики расчета показателей надежности при неэкспоненциальных законах распределения элементов достаточно сложны и позволяют анализировать только весьма простые технические уст/ ройства.

Наиболее часто используемым методам расчета, анализа и управления надежностью СТС присущи следующие черты:

— отсутствие единой математической модели, служащей для описания надежности систем;

— сравнительно небольшая часть элементов из общего числа может иметь неэкспоненциальный закон распределения;

— невозможность исследования зависимых отказов;

Л'.

— значительные трудности исследования нестационарных характеристик надежности.

Во многих случаях эти методы дают недопустимо большие погрешности расчетов. Как правило, они являются частными случаями разработанных в диссертационной работе методики, метода, алгоритма и модели.

Проведенные в работе исследования, направленные на анализ и управле.

• у,. ние надежностью СТС при неэкспоненциальных законах распределения отказов позволяют:

— рассчитать основные показатели надежности;

— выявить новые свойства СТС в смысле ее надежности;

— проводить анализ СТС при зависимых отказах элементов.

Недостатками разработанных методики, алгоритма, метода и модели являются:

— необходимость наличия достаточных статистических данных о законах распределения отказов элементов СТС;

— сложность для инженера-практика математического аппарата;

— сложность создания математической модели функционирования систем применительно к разработанным методикам.

Направлениями дальнейших исследований могут быть:

— анализ возможностей упрощения разработанных методики и вероятностного метода и создание по результатам такого анализа приближенных методов, позволяющих сравнивать различные решения и выбирать наилучший вариант;

— анализ надежности различных СТС с целью конкретизации и апробации разработанных методик;

— публикация разработанных методики, метода, алгоритма и модели с целью их широкого внедрения в инженерную практику.