5.3.3. Алгоритм разрезания

Алгоритм разрезания позволяет получить ФАЛ, подставляя в которую вместо логических переменных вероятности безотказной работы (вероятности отказа) элементов можно найти вероятность безотказной работы системы. Получения для этой цели СДНФ не требуется.

Алгоритм разрезания основан на следующей теореме алгебры логики: функция алгебры логики у(х_ь х₂,...,х_п) может быть представлена в следующей форме:

Покажем применимость этой теоремы на трех примерах:

Применяя второй распределительный закон алгебры логики, получим:

ПРИМЕР 5.15. Определить вероятность безотказной работы системы, струк­турная схема которой представлена на рис. 5.16, воспользовавшись алгоритмом разрезания.

Решение. Используя метод кратчайших путей, получим следующую ФАЛ:

Применим алгоритм разрезания:

Подставляя теперь вместо логических переменных вероятности и заменяя операции конъюнкции и дизъюнкции на алгебраические умножение и сложение, получим:

ПРИМЕР 5.16. Определить вероятность безотказной работы системы, структурная схема которой приведена на рис. 5.17. Воспользоваться алгоритмом разрезания.

Решение. Функция алгебры логики, полученная методом минимальных сечений, имеет вид:

Реализуем алгоритм разрезаний относительно х₅:

Упростим полученное выражение, пользуясь правилами алгебры логики. Вы-ражение в первых скобках упростим, используя правило выноса за скобки:

Тогда ФАЛ будет иметь вид:

Этому выражению соответствует структурная схема рис. 5.20.

Полученная схема является также схемой расчета надежности, если логические переменные заменить вероятностями безотказной работы р₁, р₂, р₃, р₄, р₅, а переменную — вероятностью отказа q₅. Из рис. 5.20 видно, что структурная схема системы сведена к последовательно-параллельной схеме. Вероятность безотказной работы вычисляется по следующей формуле:

Формула в объяснении не нуждается, она записана непосредственно по структурной схеме.

5.3.4. Алгоритм ортогонализации

Алгоритм ортогонализации, как и алгоритм разрезания, позволяет формальными процедурами образовать функцию алгебры логики, подставляя в которую вместо логических переменных вероятности, а вместо дизъюнкций и конъюнкции — алгебраические сложение и умножение, получить вероятность безотказной работы системы. Алгоритм основан на преобразовании функций алгебры логики в ортогональную дизъюнктивную нормальную форму (ОДНФ), которая существенно короче СДНФ. Прежде чем излагать методику, сформулируем ряд определений и приведем примеры.

Две конъюнкции называются ортогональными, если их произведение тождественно ноль. Дизъюнктивная нормальная форма называется ортогональной, если все ее члены попарно ортогональны. СДНФ является ортогональной, но самой длинной из всех ортогональных функций.

Ортогональную ДНФ можно получить с помощью следующих формул:

Эти формулы легко доказать, если воспользоваться вторым распределительным законом алгебры логики и теоремой де-Моргана. Алгоритмом получение ортогональной дизъюнктивной нормальной формы является следующая процедура преобразования функции у(х₁,х₂,..., х_п) в ОДНФ:

- функция у(х₁,х₂,..., х_п) преобразуется в ДНФ с помощью метода кратчайших путей или минимальных сечений;

- находится ортогональная дизъюнктивно-нормальная форма с помощью формул (5.10) и (5.11);

- минимизируется функция путем приравнивания к нулю ортогональных членов ОДНФ;

- логические переменные заменяются вероятностями безотказной работы (вероятностями отказов) элементов системы;

- окончательное решение получается после упрощения выражения, полученного на предыдущем шаге.

Рассмотрим методику на примере.

ПРИМЕР 5.17. Определить вероятность безотказной работы системы, струк­турная схема которой приведена на рис. 5.17. Применить метод ортогонализации.

Решение. В данном случае функционирование системы описывается следующей функцией алгебры логики (метод минимальных сечений):

Обозначим К₁ = х₁х₂, К₂ = х₃х₄, К₃ = х₁х₅х₄, К₄ = х₃х₅х₂. Тогда ОДНФ запишется в следующем виде:

Значения , i = 1,2,3, на основании формулы (5.10) будут иметь вид:

Тогда

Подставляя эти выражения в (5.12), получим:

Заменяя в этом выражении логические переменные соответствующими вероятностями и выполняя алгебраические операции сложения и умножения, по­лучим вероятность безотказной работы системы:

Ответ совпадает с полученным в примере 5.14.

Из примера видно, что алгоритм ортогонализации более производительный, чем способы, рассмотренные ранее. Более подробно логико-вероятностные методы анализа надежности изложены в [72,99]. Логико-вероятностный метод, как и любой другой, имеет свои достоинства и недостатки. О его достоинствах было сказано ранее. Укажем его недостатки.

Исходными данными в логико-вероятностном методе являются вероятности безотказной работы элементов структурной схемы системы. Однако во мно­гих случаях эти данные не могут быть получены. И не потому, что надежность элементов неизвестна, а потому, что время функционирования элемента является случайной величиной. Это имеет место в случае резервирования замещением, наличия последействия отказов, неодновременноcти работы элементов, наличия восстановления с различной дисциплиной обслуживания и во многих других случаях.

Приведем примеры, иллюстрирующие эти недостатки. Структурная схема системы имеет вид, показанный на рис. 5.21, где приняты следующие обозначения: x_i — логические переменные, имеющие значения 0 и 1, соответствующие отказу и исправной работе элемента, x_i = 1, 2, 3.

В данном случае логическая переменная дс₃ является 0 до момента времени τ отказа основного элемента и 1 в течение времени (t-τ), где t — врем, в течение которого определяется вероятность безотказной работы системы. Время τ является величиной случайной, поэтому значение р(τ) неизвестно. В данном случае составить ФАЛ и тем более СДНФ невозможно. Ни один из рассмотренных нами логико-вероятностных методов не позволяет найти вероятность безотказной работы системы.

Вот еще один типичный пример. Энергетическая система состоит из регулятора напряжения R_н и двух параллельно работающих генераторов Г₁ и Г₂. Структурная схема системы показана на рис. 5.22.

При отказе одного из генераторов оставшийся исправным работает один общую нагрузку. Его интенсивность отказов увеличивается. Если до момента τ отказа одного из генераторов интенсивность его отказа была равна λ, то после отказа λ₁ > λ₂. Так как время τ является величиной случайной, то Р(τ) неизвестно. Здесь, как и в случае резервирования замещением, логико-вероятностные методы бессильны. Таким образом, указанные недостатки логико-вероятностных методов снижают их практическое применение при расчете надежности сложных систем.