книги из ГПНТБ / Оптимизация процессов грузовой работы

П Р Е Д И С Л О В И Е

Исторический XXIV съезд Коммунистической партии Советского Союза наметил грандиозную программу коммунистического строительства. Важную роль в реше­ нии поставленных задач играют морской и речной флоты страны, которые получат еще большее развитие за годы 9-й пятилетки.

Однако уже в настоящее время суда представляют собой сложные инженерные сооружения, оснащенные большим количеством автоматизированных систем и уст­ ройств. Высокая степень автоматизации судов, а также важность решаемых автома­ тизированными системами задач привели к необходимости решения проблемы надеж­ ности их работы. Этому важному вопросу посвящен ряд монографий, выпущенных издательством «Судостроение» [10, 29, 38 и др. ].

По определению ГОСТ 13377—66 и ОСТ 5.0016—70 надежность изделия обуслов­ ливается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долго­ вечностью его частей. Если первая компонента достаточно хорошо изучена, то послед­ ние три, особенно применительно к судовым системам управления, рассмотрены недо­ статочно, хотя они играют большую роль в обеспечении высокой надежности и эф­ фективности флота СССР, так как влияют на снижение скорости судна, на время задержки его в портах, на стоимость ремонта и т. д.

Целью настоящей книги является изучение некоторых вопросов ремонтопригод­ ности и сохраняемости судовых систем управления и, в частности, подробное рассмо­ трение такой важной характеристики, как функция готовности, тем более что суще­ ствующая литература по вопросам надежности уделяет весьма малое внимание ее изучению. В теории восстановления, развитой рядом ученых [18, 24, 35], основное внимание уделяется мгновенному восстановлению. Однако в условиях реальной эксплуатации мгновенное восстановление практически отсутствует. Даже резерви­ рование замещением при наличии идеального переключателя — автомата надежности не обеспечивает в полной мере мгновенного восстановления. Кроме того, проведение плановых профилактических и аварийных контрольных проверок требует значи­ тельного времени и приводит к простоям системы.

В силу сказанного внимательное изучение особенностей поведения систем при конечном времени восстановления имеет большое практическое значение.

В предлагаемой монографии авторы большое внимание уделяют методам опреде­ ления функции готовности, изучению специфики ее поведения, исследованию особен­ ностей функционирования судовых систем управления и изысканию путей повыше­ ния готовности этих систем, что приводит в конечном счете к увеличению эффектив­ ности использования судов в целом.

В начале книги рассматриваются общие вопросы готовности. В частности, уста­ навливается связь характеристик безотказности и готовности и изучаются предель­ ные свойства функции готовности.

Математические методы, применяемые в гл. 2 для анализа функции готовности, хорошо известны, поэтому исследование функции готовности с помощью пред­ лагаемых методов не вызовет затруднений у читателя, желающего применить их на практике. В более сложных случаях в работе приводятся методы, реализуемые с помощью АВМ.

Большое внимание в настоящее время уделяется стоимостным критериям. Поэтому алгоритмы оптимизации по критерию стоимости, рассмотренные в гл. 4, должны привлечь внимание специалистов, занимающихся решением оптимальных задач в области судостроения.

Глава 1

О Б Щ И Е В О П Р О С Ы Г О Т О В Н О С Т И С У Д О В Ы Х

С И С Т Е М У П Р А В Л Е Н И Я

Способность восстанавливаемой системы максимальное время нахо­ диться в состоянии работоспособности носит название готовности. На наш взгляд, это свойство систем имеет такое большое значение, что требует углубленного и самостоятельного исследования. В самом деле, многие судовые автоматизированные системы должны работать в течение всего времени плавания и могут характеризоваться показа­ телями готовности. Системы, работающие в режиме деж урства, хар ак ­ теризую тся произведением коэффициента готовности и показателя безотказности, если последний обладает свойством стационарности.

Значительная часть судовых систем и устройств восстанавли ­ вается в процессе работы, поэтому готовность является одной из их основных технических характеристик. Зачастую разработчики и проектировщики, задавая требования в технических заданиях на разработку, не осознаю т, что они задаю т именно характеристики готовности. Например, такие формулировки, как «система не должна находиться в нерабочем состоянии более 100 ч за автономное плава­ ние длительностью полгода» либо «вероятность нахождения в нера­ бочем состоянии за время рабочего цикла (8 ч) долж на быть 2% », прямо или косвенно формулируют требования к готовности или вре­ мени использования системы.

В ы сокая готовность систем зависит от большого числа факторов, среди которых можно назвать длительность циклов работы систем, степень избыточности, параметры потоков отказов и восстановлений,

Если полагать (как это сделано в большинстве работ по теории восстановления), что восстановление системы происходит мгновенно, то коэффициент готовности будет равен единице. Однако, как пра­ вило, реальные системы обладают конечным (зачастую достаточно большим) временем восстановления. Сокращение времени восста­ новления является одной из важ ны х задач проектирования новых судовых систем автоматического управления.

5

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОТОВНОСТИ

устройств, вес минимального сменного узла, свобода доступа к узлу, степень стандартизации и унификации, невозможность быстрой ло­

товки контрольных приборов и стендов, логических операций по

ния в ряде случаев приводит к необходимости рассматривать раз­ личные законы распределения времени восстановления.

Прежде чем переходить к конкретному изложению вопросов, свя ­ занных с исследованием функции готовности, рассмотрим, какие виды автоматизированных устройств встречаются на судах и какие функции они выполняют.

В се автоматизированные судовые системы и устройства могут выполнять следующие основные функции:

а) функции автоматизированного управления судами и отдель­ ными системами и устройствами (радиолокационные станции, дви­ жители, энергетические установки, системы управления метеороло­ гическими ракетами и т. д .);

б) функции автоматического управления и регулирования пара­ метров агрегатов или установок (поддержание заданного давления пара, температуры охлаждаю щ ей воды, частоты вращения турбины и т. д .);

в) функции автоматической блокировки, защиты и сигнализации для остановки механизмов, дублирования действий оператора, сигна­ лизации и т. п.

Естественно, что наибольший интерес представляет исследова­ ние процессов функционирования систем управления в целом.

При рассмотрении возможных режимов работы судовых систем управления можно выделить три основные фазы использования си­ стем; хранение, эксплуатацию , ремонт,

6

ГЛАВА 1

При хранении в порту все системы как разового, так и много­ кратного действия представляю т собой обслуживаемые системы (при наличии профилактики) и характеризую тся коэффициентом готов­ ности при хранении. При хранении на судне системы разового дей­ ствия не восстанавливаю тся и, следовательно, характеризую тся уж е вероятностью безотказного хранения.

Эксплуатация является основной фазой использования судовых

зующие систему в том или ином режиме, выбираются в соответствии с «Методическими указаниями по выбору номенклатуры нормируе­ мых показателей надежности технических устройств» (М У 3— 69).

Т а б л и ц а 1.1

Режимы использования и виды судовых систем управления

Понятие готовности как свойства, определяющего надежность, при­ менимо для восстанавливаемых систем с конечным временем восста­ новления и наиболее полно характеризует с вероятностной точки зрения возможность выполнения системой в нужный момент вре­ мени задач, определяемых ее целевым назначением.

7

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОТОВНОСТИ

В зависимости от режима работы и условий эксплуатации системы, обусловливаю щ их в конечном счете свойства потока ее отказов, а такж е в зависимости от особенностей выполняемых системой задач следует использовать различные критерии готовности. Основными критериями являю тся:

а) функция готовности Г ( і) — вероятность того, что система будет работоспособна в любой случайно выбранный момент времени t,

долю времени, в течение которого система готова к работе, если интервал оценки достаточно велик.

М ожно ввести ряд других показателей готовности, отражающ их те или иные особенности использования системы. /Мы будем рассмат­ ривать лишь перечисленные выше показатели. При этом будем сле­ довать терминологии, принятой в [3 0 ].

Функция готовности. При определении понятия функции готов­ ности, а такж е некоторых других характеристик надежности будем использовать там, где это удобно, статистический подход, т. е. будем предполагать, что в первоначальный момент времени / = 0 на испы­ тание поставлено N однотипных систем и в дальнейшем испытание проводится по одному из известных планов.

В соответствии с принятым ранее определением функции готов­ ности статистическое ее значение Г* (/) равно отношению числа исправных систем в момент времени t к числу первоначально по­

мени t зависит от безотказности системы и ее восстанавливаемости

8

ГЛАВА' 1

Критерии для оценки надежности невосстанавливаемых систем приведены в табл. 1.2.

Из физических предпосылок следует (в дальнейшем это будет доказано строго), что в случае восстанавливаемых систем для момен­ тов времени, достаточно удаленных от начала испытания, функция готовности становится постоянной величиной, равной коэффициенту готовности.

Данный критерий является удобной характеристикой надеж ­ ности системы, работающей в режиме деж урства и выполняющей свои функции в течение короткого отрезка времени. Специфика работы такой системы состоит в том, что момент поступления требо­

или в период интенсивного старения элементов системы; режим работы аппаратуры в сложных условиях эксплуатации, оказы ваю ­ щих влияние на характер распределения времени ее безотказной работы; режим работы аппаратуры при ограниченных возможностях ремонта и ограниченности ЗИ П а и т. д.

Вид и способ получения аналитического выражения для функции готовности зави сят от характера потока отказов и восстановлений системы. Т ак, в случае простейших потоков отказов и восстановле­ ний выражение для Г ( t) может быть получено путем описания про­ цесса возникновения отказов и их устранения системой дифферен­ циальных или разностных уравнений. Решение этих уравнений по­ зволяет определить вероятность того, что система будет готова к действию в любой момент времени. При этом анализ удобно про­ водить в терминах теории марковских процессов. Если поток отка­ зов существенно отличается от простейшего, то функция готовности представляется в интегральном виде [301.

9

1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОТОВНОСТИ

пределения времени восстановления (кривая /), а такж е в случае некоторого потока отказов, отличного от простейшего (кривая 2).

Функция готовности на промежутке. По определению статисти­ ческое выражение функции готовности на промежутке Г* ( t, s) имеет вид

состоянии, но выполняющих свои функции в течение отдельных промежутков времени.

М атематическое выражение функции готовности на промежутке, как и функции готовности, зависит от характера потоков отказов и восстановлений. На рис. 1.2 показан вид функции Г (I, s) для простейшего потока отказов и экспоненциального закона времени восстановления (кривая 1), а такж е для некоторого потока отказов, отличного от простейшего (кривая 2).

Коэффициент готовности. Коэффициент готовности Är представляет собой отношение суммарного времени исправного состояния системы

12