книги из ГПНТБ / Ахметов, Л. А. Вопросы оптимизации автомобильных перевозок

Следует различать техническую надежность состав­ ных частей большой системы (выход их из строя и вос­ становление) и надежность функционирования большой системы в целом. Остановимся на этом вопросе подроб­ нее, поскольку он имеет существенное значение при оп­ ределении понятия «отказ» большой системы.

Отказы отдельных элементов, устройств, средств и подсистем переводят большую систему в состояния с пониженными уровнями эффективности (иногда эффек­ тивность функционирования падает до нулевого уровня). Следовательно, за счет ограниченной надежности сос­ тавляющих систему элементов, устройств, средств и под­ систем эффективность ее функционирования в процессе длительного применения будет изменяться в пределах от максимального значения до нулевого уровня, принимая при этом ряд промежуточных значений.

Перед тем как сформулировать критерий «отказа» большой системы, введем понятие критического уровня эффективности функционирования.

Под критическим уровнем эффективности функцио­ нирования большой системы Фкр следует понимать гра­ ничное значение эффективности функционирования, при котором еще обеспечивается выполнение системой возло­ женных на нее задач. При уменьшении эффективности ниже критического уровня считается, что система не справляется со своими задачами и требует восстановле­ ния или привлечения для решения задачи свободных систем.

Работоспособность большой системы характеризуют такие ее состояния, при которых она способна выполнять заданные функции с эффективностью не ниже критичес­ кого уровня Фкр.

Определение критического уровня эффективности функционирования большой системы позволяет сформу­ лировать и понятие «отказ» системы, которое дает воз­ можность оценить надежность ее функционирования.

Под «отказом» большой системы, или более правиль­ но, срывом нормального функционирования понимается событие, заключающееся в уменьшении эффективности функционирования системы ниже критического уровня Фкр [12, 14]. Другими словами, отказ большой систе­ мы— это событие, заключающееся в нарушении ее рабо­ тоспособности.

159

Под надежностью функционирования большой системы понимается свойство системы выполнять заданные функ­ ции, сохраняя уровень эффективности функционирования в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени в определенных условиях эксплуатации. Надеж­ ность функционирования большой системы определяется ее структурой, надежностью элементов, устройств, средств и подсистем (их безотказностью и восстанавливае­ мостью) и техническим обслуживанием. Введем основ­ ные определения, относящиеся к надежности составляю­ щих большой системы, руководствуясь терминологией, принятой ГОСТом [15, 16].

Под надежностью элементов, устройств, средств и под­ систем (при условии, что составляющие системы харак­ теризуются только двумя уровнями работоспособности) понимается их свойство выполнять определенные функ­ ции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в за­ данных пределах в течение требуемого промежутка вре­ мени или времени наработки.

Работоспособность элементов, устройств, средств и подсистем характеризует их состояние, при котором они способны выполнять заданные функции с параметрами, установленными требуемыми техническими документами.

Отказ элементов, устройств, средств и подсистем — это событие, заключающееся в нарушении их работоспособ­ ности.

Безотказность элементов, устройств, средств и под­ систем характеризует их свойство сохранять работоспо­ собность в течение некоторого времени работы без вынуж­ денных перерывов.

Восстанавливаемость элементов, устройств, средств и подсистем является широким понятием, охватывающим как свойство самой аппаратуры, так и процесс обслужи­ вания и представляет собой органическое сочетание ре­ монтопригодности и мероприятий по обслуживанию.

Под ремонтопригодностью понимается свойство эле­ ментов, устройств, средств и подсистем, заключающееся в их приспособленности к предупреждению, обнаруже­ нию и устранению отказов и неисправностей путем прове­ дения обслуживания и ремонтов.

Мероприятия по обслуживанию определяются подго­ товкой (квалификацией) инженерно-технического персо­ нала, организацией снабжения, ремонтов и т. д.

160

Таким образом, под восстанавливаемостью элементов, устройств, средств и подсистем понимается совокупность свойств ремонтопригодности и мероприятий по обслужи­ ванию, которые приводят отказавшую аппаратуру в ра­ ботоспособное состояние.

Все элементы можно разделить на две большие груп­ пы: невосстанавливаемые и восстанавливаемые.

К невосстанавливаемым относятся элементы, работо­ способность которых после отказа не может быть вос­ становлена вследствие их физико-химических или конст­ руктивных особенностей (например, функциональный узел, конструктивно выполненный в виде герметизиро­ ванного модуля или микромодуля), или его восстановле­ ние нецелесообразно экономически.

К восстанавливаемым относятся элементы, работоспо­ собность которых в случае возникновения отказа может быть восстановлена с помощью ремонта (замены, регули­ ровки, подстройки и т. д.). Эти элементы могут подвер­ гаться и другим видам технического обслуживания (нап­ ример, профилактике).

Стоимость больших систем. Исследование качества функционирования больших систем должно проводиться с учетом конкурирующих факторов, к которым относятся эффективность функционирования систем и экономичес­ кие затраты на их проектирование, производство и эк­ сплуатацию. Одной из важнейших задач системотехники является рациональное распределение материальных средств между всеми этапами проектирования, производ­ ства и эксплуатации систем с целью обеспечения макси­ мальной эффективности их функционирования. Игнори­ рование этого факта приводит к созданию недостаточно эффективных систем, стоимость которых существенно увеличивается за счет проведения различных переделок и доработок на последних этапах конструирования и в процессе испытаний. Кроме того, проектирование систем без учета вопросов технического обслуживания может привести к тому, что стоимость эксплуатации таких систем в десятки раз будет превышать суммарные эко­ номические затраты, использованные для создания систем.

Все мероприятия, направленные на обеспечение на­ дежности большой системы, должны быть своевременны­ ми и экономически обоснованными, исходя из общего це­

левого назначения создаваемой системы. Только в этом случае они могут дать наибольший суммарный эффект.

Не менее важное значение при проектировании боль­ ших систем имеют вопросы предполагаемой стоимости их эксплуатации.

Прогнозируя дальнейшее развитие больших систем, можно с уверенностью предположить, что стоимость эк­ сплуатации систем будет намного превышать стоимость их изготовления. Расходы же на обслуживание наиболее важных в смысле обеспечения безопасности систем (кос­ мические системы, системы межконтинентальных авиа­ линий и т. п.) будут исчисляться миллионами рублей. В связи с этим создание больших систем немыслимо без решения на ранних этапах их проектирования всего мно­ гообразия вопросов эксплуатации с учетом стоимости.

§2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДСИСТЕМ, ВХОДЯЩИХ

ВБОЛЬШИЕ СИСТЕМЫ

Признаки, положенные в основу классификации.

Большие системы, как правило, являются системами дли­ тельного применения. Однако составляющие их подсис­ темы могут применяться различным образом в зависи­ мости от характера и цели выполняемых ими задач, а также режима их использования по назначению. Все под­ системы, входящие в большие системы, могут быть клас­ сифицированы по следующим основным признакам:

—по назначению;

—по режимам функционирования и применения;

—по построению;

—по фактору производства.

Рассмотрим более подробно классификацию подсис­ тем по указанным признакам.

В связи с огромным разнообразием подсистем затруд­ нительно дать четкую классификацию их по назначению. Однако все подсистемы по кратности применения можно разделить на две группы:

—подсистемы одноразового использования;

—подсистемы многоразового использования. Например, подсистемы, в состав которых входят ав­

томобили, используются многократно, а подсистемы с го­ рючим используются однократно.

162

Следует отметить, что подсистемы одноразового ис­ пользования могут функционировать в нескольких режи­ мах. Так, горючее в емкостях на пункте заправки автомо­ билей находится в режиме хранения, а после заливки в баки автомобилей — в режиме выполнения поставлен­ ных перед ним задач (в режиме непосредственного при­ менения) .

По режимам функционирования и применения под­ системы одноразового и многоразового использования могут быть разбиты на два класса:

—подсистемы, функционирующие независимо от ис­ пользования;

—подсистемы, функционирующие только во время использования.

Подсистемы указанных выше классов могут приме­ няться непрерывно или периодически, причем периоди­ ческое применение наступает как в случайные (эпизоди­ ческое применение), так и в строго запланированные мо­ менты времени.

Кподсистемам непрерывного применения можно от­ нести подсистемы энергоснабжения городов, обнаруже­ ния целей и др. Примерами подсистем периодического применения являются системы, в состав которых входят

автомобили, электронно-вычислительные машины и т. д. Плановое применение подсистем можно проиллюстри­ ровать на транспортных системах, где существует распи­ сание движения автобусов, поездов, самолетов и других

средств.

Случайное применение присуще таким подсистемам, как баллистические ракеты, пуск которых зависит от внешних возмущающих факторов.

Следует отметить, что периодически применяемые подсистемы могут функционировать длительно или крат­ ковременно. Например, суда китобойной флотилии при­ меняются достаточно длительный промежуток времени, а средства транспортных систем —готносительно не­ долго.

Подсистемы многократного применения могут функ­ ционировать и применяться в одном или нескольких ре­ жимах. Как правило, эти режимы обусловлены или наг­ рузкой на подсистему, или необходимостью экономии ресурсов. При этом эффективность функционирования может быть различной в зависимости от режимов фун­

163

кционирования и применения. Например, подсистемы городской телефонной связи, энергоснабжения, транспорта в различное время суток работают с различной наг­ рузкой.

Далее, подсистемы могут подразделяться на обслу­ живаемые и необслуживаемые в процессе функциониро­ вания. Необслуживаемые подсистемы могут быть контро­ лируемыми и неконтролируемыми.

Обслуживаемые подсистемы, как правило, являются контролируемыми, они могут быть классифицированы по признаку наличия восстановительных и профилактичес­ ких работ. Например, непилотируемый спутник во время полета представляет собой необслуживаемую подсистему и может быть как контролируемым, так и неконтро­ лируемым, а радиолокационные системы посадки само­ летов и слежения за спутниками являются обслуживае­ мыми, контролируемыми, восстанавливаемыми н профилактируемыми.

Построение подсистем определяется их назначением

итребованиями обеспечения функционирования. По это­ му признаку подсистемы подразделяются:

—на избыточные и без избыточности;

—сосредоточенные и рассредоточенные;

—с использованием и без использования унификации

истандартизации.

Избыточность бывает функциональная, временная и аппаратурная. В системах избыточность реализуется в ви­ де частичного резервирования отдельных функций, перек­ рытия зон функционирования различных частей системы во времени, многоканальности, обратных связей, резер­ вирования и т. д.

Остановимся более подробно на аппаратурной избы­ точности резервирования. Этот вид избыточности наибо­ лее часто используется в современных системах.

Резервирование является одним из способов повы­ шения надежности путем включения резервных подсис­ тем, средств, устройств и элементов. В связи с этим различают общее, раздельное и смешанное резервиро­ вание.

При общем резервировании повышение надежности достигается применением резервных подсистем.

При раздельном резервировании предусматривается резервирование отдельных участков подсистем (средств,

164

устройств, элементов). При смешанном резервировании в системе резервируются как отдельные подсистемы (средства, устройства), так и отдельные элементы.

Существует два способа включения резервных эле­ ментов: постоянное и замещением.

При постоянном резервировании резервные подсисте­ мы (средства, устройства, элементы) присоединяются i: основным в течение всего времени работы. При этом спо­ собе подсистема (средство, устройство, элемент) проек­ тируется таким образом, чтобы отказ одной или даже нескольких подсистем не влиял на работу.

Достоинство постоянного резервирования состоит в простоте реализации и в отсутствии перерывов в функ­ ционировании. Основными недостатками постоянного включения является, во-первых, то, что с появлением от­ казов в резерве изменяются параметры всей системы и, во-вторых, происходит повышенный расход ресурсов ре­ зервных подсистем (средств, устройств, элементов).

При резервировании замещением в случае появления отказа работоспособность восстанавливается путем заме-т щения отказавшей подсистемы (средства, устройства, элемента).

К основным достоинствам способа включения резерва замещением можно~отнести:

—сохранение ресурса работы резерва;

—постоянство режимов работы системы при отказах;

—возможность использования одной резервной под­ системы для резервирования однотипных подсистем.

Недостатками этого способа являются:

—наличие переключающих устройств;

—необходимость дополнительного времени на перек­ лючение подсистемы и ее прогрев.

Систему с включением резервных элементов замеще­ нием можно классифицировать по условиям работы ре­ зерва:

—нагруженный резерв — рабочие и резервные цепи находятся в одинаковых условиях работы;

—облегченный резерв — резервные цепи находятся в облегченных рабочих условиях;

ненагруженный резерв — резервные цепи включают­ ся в работу после отказа рабочей цепи.

Наиболее часто применяется нагруженный резерв. Это объясняется тем, что для ненагруженного резерва не­

165

обходимо значительное время на включение резервной цепи, что во многих случаях оказывается неприемлемым. Следует также отметить, что резервирование отдельных элементов обычно трудно осуществимо на практике. Бо­ лее часто удается реализовать функциональное резерви­ рование устройств, средств, подсистем. Надежность систем с резервированием зависит, таким образом, от режимов работы резервных элементов, их числа, а также надежности переключающегося устройства.

В зависимости от назначения больших систем их под­ системы могут быть территориально сосредоточенными и рассредоточенными. Например, подсистемы территори­ альных автотранспортных управлений рассредоточены по территории, вследствие чего могут более эффективно вы­ полнять поставленные перед ним задачи. Однако обслу­ живание таких подсистем затруднено. Организация, об­ служивание сосредоточенных подсистем (например, ме­ таллургических комбинатов, находящихся вблизи добычи сырья) значительно проще. В таких системах достигается экономия материальных затрат на организацию обслужи­ вания и снабжение отдельных подсистем.

Подсистемы могут быть с переменной или постоянной структурой.

В качестве примера подсистемы с переменной струк­ турой может служить беспилотный спутник с наличием резервированных устройств или элементов. В случае от­ казов основных устройств или элементов спутника под­ ключаются резервные устройства или элементы, при этом первоначальная структура спутника изменяется. Приме­ ром подсистемы с постоянной структурой в процессе фун­ кционирования является вычислительная машина.

Все подсистемы, входящие в состав большой систе­ мы, как правило, связаны между собой информационны­ ми каналами. Эти соединения могут быть как ветвящи­ мися, так и параллельно-последовательными. Примером ветвящегося соединения может служить соединение под­ систем телефонной связи, а соединения подсистем, нап­ ример аэропорта, являются параллельно-последователь­ ными.

Подсистемы могут различаться по степени стандарти­ зации и унификации элементов и устройств. Применение унифицированных и стандартных элементов значительно снижает стоимость изготовления и эксплуатацию подсис­

166

тем, улучшает и облегчает проведение технического об­ служивания.

Подсистемы можно классифицировать также по приз­ наку, характеризующему объем производства, на две группы:

—подсистемы массового производства (серийные);

—подсистемы единичные (уникальные).

Обычно подсистемы первой группы требуют меньших материальных затрат на создание и более удобны в эк­ сплуатации.

§ 3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СРЕДСТВ ПОДСИСТЕМ

Анализ процесса эксплуатации. Под эксплуатацией средств подсистем понимается совокупность организо­ ванных действий и мероприятий, направленных на под­ держание заданного уровня надежности подсистемы в процессе их применения, а также обеспечение долговеч­ ности и продление срока службы за счет организации хранения и ремонта.

Весь период эксплуатации подсистемы определяется от момента ее изготовления и до момента, когда даль­ нейшая эксплуатация нецелесообразна. Организация эксплуатации различных видов подсистем существенно зависит от специфических особенностей назначения и при­ менения их в большой системе.

В процессе эксплуатации подсистемы могут находить­ ся или непосредственно в составе рассматриваемой большой системы, или вне ее. Основным периодом эксплу­ атации является период, в течение которого обеспечива­ ется функционирование подсистемы в большой системе. Вспомогательным периодом считается транспортировка подсистемы, ее хранение1 и ремонт (капитальный или средний).

Под режимами функционирования следует понимать пребывание средств подсистемы в состояниях с различ­ ными уровнями эффективности. Сюда входят: режим подготовки, дежурный режим или режим хранения, ре­ жим непосредственного применения. Указанные режимы

1 Здесь под хранением понимается складское хранение подсистем, как правило, в законсервированном виде.

167