Слайд 1К ЛЕКЦИИ
АНАЛИЗ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРИНЦИПОВ И МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ
И ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ И АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Санкт-Петербург
2017
Слайд 2СУТЬ ПРОБЛЕМА
обеспечения надежности систем аварийной защиты и безопасности самих
систем безопасности
Особенно важен учет видов отказов в системах
- аварийной
защиты,
в УСБ атомных энергетических установок,
в системах пожарной безопасности и в других.
В этих системах имеет место
- как накопление «скрытых отказов» в каналах управления, приводящих в конечном итоге или к несрабатыванию системы защиты,
так и возникновение «явных оказов», приводяших к ее излишнему или «ложному» неправильному срабатыванию
Как несрабатывания, так и ложные
срабатывание приводят к огромным потерям,
трагическим последствиям и даже к
техногенным катастрофам.
Слайд 3Нерешенные задачи
1. Разработка математических моделей и эффективных методов анализа
надежности и отказоустойчивости невосстанавливаемых многоканальных управляющих систем безопасности (УСБ) и
аварийной защиты (САЗ) как систем из элементов (каналов) с тремя несовместными состояниями и требующих учета всех возможных последовательностей возникновения различных видов отказов каналов, обеспечивающих возможность корректной количественной оценки
вероятности нахождения системы в работоспособном состоянии,
вероятностей ложного срабатывания,
вероятности нахождения в состоянии скрытого отказа.
2. Исследование возможности преодоления так называемого «проклятия размерности» при расчете показателей надежности многоканальных резервированных УСБ с помощью алгоритма И.А. Рябинина, обеспечивающего, оставаясь в рамках бинарных моделей, возможность анализа надежности структурно-сложных систем из элементов с тремя несовместными состояниями (отказы типа «короткое замыкание» и «обрыв»), но не учитывающего возможных последовательностей возникновения отказов, характерных для управляющих систем типа УСБ и САЗ.
3. Исследование возможности получения для рассматриваемых типовых многоканальных резервированных структур УСБ - «2 из 3-х», «2 из 4-х» - зависимостей (в том числе аналитических выражений) вероятностей нахождения системы в работоспособном состоянии, состоянии ложного срабатывания и в состоянии скрытого отказа от характеристик отдельных каналов – вероятности отказа (как функции времени) и соотношения между явными и скрытыми отказами каналов.
4. Разработка и исследование характеристик надежности многоканальных УСБ и САЗ с динамическим резервированием с перестройкой алгоритмов работы восстанавливающих органов при накоплении числа отказавших каналов для обеспечении функционирования на последнем оставшемся в строю канале (принцип «каннибализации» или «элегантной деградации»). Сравнение структур «2 из 3-х» и «2 из 4-х» с постоянным и динамическим резервированием.
Слайд 4МЕСТО СИСТЕМ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ В ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ ИУС типа АСУ
ТП
Слайд 5Cуть проблемы и «проклятие размерности»
Особенно важен учет видов отказов в системах аварийной защиты
, в УСБ атомных энергетических установок, в систе-мах пожарной безопасности и в других. В этих системах имеет место как накопление «скрытых отказов» в каналах управления, приводящих в конечном итоге или к несрабаты-ванию системы защиты, или к ее «ложному срабатыванию. Как несрабатывание, так и ложное срабатывание приводят к огромным потерям, трагическим последствиям и даже к техногенным катастрофам.
Для систем с бинарными элементами:
Выходной эффект зависит только от комбинации отказавших и работоспособных элементов
Выходной эффект дополнительно зависит от порядка
следования отказов
Для систем из элементов с тремя несовместными состояниями:
Выходной эффект зависит только от комбинации отказавших и работоспособных элементов
Выходной эффект дополнительно зависит от порядка следования отказов
Слайд 6Типовые структуры резервированных управляющих систем безопасности (УСБ) и систем аварийной
защиты (САЗ)
Трехканальная УСБ с постоянным резервированием по схеме «2 из
3-х»
Дуплексная структура УСБ с постоянным резервированием
Четырехканальная УСБ с постоянным резервированием по схеме «2 из 4-х»
Четырехканальная УСБ с постоянным резервированием по схеме «2 из 4-х по и-или»
Слайд 7Алгоритм И.А. Рябинина расчета надежности систем из элементов с тремя
состояниями в рамках бинарной модели
Каждый элемент системы может находиться в
трех несовместимых состояниях:
1 – работоспособен,
хi= 2 – отказ типа “обрыв”,
3 - отказ типа “замыкание”.
Получение функции работоспособности системы (ФРС) системы:
(1)
Ортогонализация ФРС:
(2)
Пример: схема мостика
Нахождение вероятности безотказной работы на обрыв Rc.o. необходимо в формулу (2)
вместо хi подставить , а вместо подставить с индексом «о» (обрыв).
(3)
Слайд 8
Алгоритм И.А. Рябинина расчета надежности систем из элементов
с тремя
состояниями в рамках бинарной модели
Слайд 9Построение графа переходов системы в пространстве технических состояний, составление и
решение уравнений А.Н.Колмогорова для дуплексной структуры
Слайд 10Аналитические решения уравнений А.Н.Колмогорова для дуплексной структуры
Слайд 11Сравнение результатов по графу переходов системы и по алгоритму И.А.Р.
для дуплексной структуры
Слайд 12 Граф переходов системы в пространстве технических состояний для схемы
«2 из 3-х» с постоянным резервированием
(после Первого шага агрегирования)
Слайд 13Уравнения А.Н. Колмогорова, составленные на основе графа деградации для схемы
«2 из 3-х» с постоянным резервированием
Слайд 14Максимальное агрегирование графа переходов системы и составление уравнений А.Н.Колмогорова для
расчета «R» по схеме «2 из 3-х» с постоянным резервированием
Слайд 15Вероятность безотказной работы «R» не зависит от «а», результат совпадает
с полученным в 1952 году Джоном фон Нейманом.
График Зависимости вероятности
безотказной работы системы «R» от вероятности отказа «q», полученный на основе графа переходов системы для схемы «2 из 3-х» с постоянным резервированием
Слайд 16 Зависимости вероятности безотказной работы “R” от доли скрытых отказов
“a” при различных значениях вероятности отказа “q” для результатов, полученных
с использованием графа переходов и на основе алгоритма Рябинина и сравнение результатов для схемы «2 из 3-х»
Вероятность безотказной работы «R» по И.А.Р. зависит, как от «а», так и от «q», значит алгоритм И.А.Р. нельзя использовать для расчета «R» данного класса систем.
Слайд 17 Зависимости вероятности ложного срабатывания “Qл” от доли скрытых отказов
“a” при значениях вероятности отказа q=0,3, q=0,5, q=0,8, полученных на
основе графа переходов и на основе алгоритма Рябинина и сравнение результатов для схемы «2 из 3-х»
Вероятность ложного срабатывания «Qл» по графу переходов и по И.А.Р. зависит, как от «а», так и от «q» и результаты совпадают, значит алгоритм И.А.Р. можно использовать для расчета «Qл» данного класса систем.
Слайд 18Граф переходов системы в пространстве технических состояний для схемы «2
из 4-х» с постоянным резервированием
(после Первого шага агрегирования)
Слайд 19Согласно графу уравнения А.Н. Колмогорова для схемы «2 из 4-х»
с постоянным резервированием имеют вид
Слайд 20Максимальное агрегирование графа переходов системы для схемы «2 из 4-х»
с постоянным резервированием
Слайд 21 Зависимости вероятности безотказной работы “R” от вероятности отказа “q”
для результатов, полученных на основе графа переходов и на основе
алгоритма Рябинина и сравнение результатов для схемы «2 из 4-х»
по графу
по И.А.Р.
Вероятность безотказной работы «R» в обоих случаях зависит, как от «а», так и от «q», но результаты не совпадают, а значит алгоритм И.А.Р. нельзя использовать для расчета «R» данного класса систем.
Слайд 22Получение Зависимостей вероятности безотказной работы “Qл” от вероятности отказа “q”
для результатов, полученных на основе графа переходов и на основе
алгоритма Рябинина и сравнение результатов для схемы «2 из 4-х»
по графу
по И.А.Р.
Вероятность ложного срабатывания «Qл» по графу переходов и по И.А.Р. зависит как от «а», так и от «q» и результаты совпадают, значит алгоритм И.А.Р. можно использовать для расчета «Qл» данного класса систем !!!
Слайд 23Граф переходов системы в пространстве технических состояний для схемы «2
канал по «И» каждый и объединение их по «ИЛИ»»
(Первый шаг
агрегирования)
Слайд 24Максимально агрегированный граф переходов системы в пространстве технических состояний для
схемы «2 канал по «И» каждый и объединение их по
«ИЛИ»»
Агрегированное состояние « Pl» - состояние «ложного срабатывания» - произошел «явный» отказ двух каналов подряд;
Агрегированное состояние «Pc » - состояние «скрытого отказа», несколько каналов отказали «скрыто», система не среагирует на аварийную ситуацию;
Слайд 25Уравнения А.Н. Колмогорова для схемы «2 канал по «И» каждый
и объединение их по «ИЛИ»» с постоянным резервированием
Слайд 26Для рассматриваемой структуры алгоритм И.А.Р. дает в целом неверные результаты
(по «R», «Qл», «Qc»), приходится использовать граф деградации и решать
уравнения Колмогорова.
Графики зависимостей вероятности безотказной работы “R” и ложного срабатывания “Qл” от доли скрытых отказов “a” при различных значениях вероятности отказа “q” для результатов, полученных с использованием графа переходов и алгоритма Рябинина для схемы «2 канал по «И» каждый и объединение их по «ИЛИ»»
(Результаты численных экспериментов)
Слайд 27Трехканальная УСБ со схемой "2 из 3-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 28Трехканальная УСБ со схемой "2 из 3-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 29Трехканальная УСБ со схемой "2 из 3-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 30Трехканальная УСБ со схемой "2 из 3-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 31 Уравнения А.Н. Колмогорова и их решение для схемы «2
из 3-х» с динамическим резервированием
Слайд 32Сравнение результатов, полученных для схемы «2 из 3-х» с динамическим
и с постоянным резервированием для вероятности безотказной работы “R” и
ложного срабатывания “Qл” при различных значениях вероятности отказа “q”
Динамическое резервирование с реконфигурацией до последнего канала дает ощутимый эффект в надежности.
Слайд 33Четырехканальная УСБ со схемой "2 из 4-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 34Четырехканальная УСБ со схемой "2 из 4-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 35Четырехканальная УСБ со схемой "2 из 4-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 36Составление уравнений А.Н. Колмогорова и их решение для схемы «2
из 4-х» с динамическим резервированием
Слайд 37Сравнение результатов, полученных для схемы «2 из 4-х» с динамическим
и с постоянным резервированием для вероятности безотказной работы “R” и
ложного срабатывания “Qл” при различных значениях вероятности отказа “q”
Динамическое резервирование с реконфигурацией до последнего канала дает ощутимый эффект в надежности.
Слайд 38Заключение
1. Разработаны математические модели и методы оценки надежности и
отказоустойчивости невосстанавливаемых многоканальных управляющих систем безопасности (УСБ) и аварийной защиты
(САЗ) как систем из элементов с тремя несовместными состояниями и разнообразием возможных вариантов последовательностей возникновения отказов.
2. Исследована возможность применения алгоритма И.А. Рябинина для оценки надежности трехканальных и четырехканальных УСБ и САЗ.
3. Для всех рассматриваемых принципов резервирования получены аналитические выражения для вероятностей нахождения системы в работоспособном состоянии, в состоянии ложного (излишнего) срабатывания и состоянии скрытого отказа с установлением их зависимостей от вероятности отказа одиночного канала и соотношения между явными и скрытыми отказами канала.
4. Исследованы характеристики надежности многоканальных УСБ и САЗ с динамическим резервированием с перестройкой алгоритмов работы восстанавливающих органов при накоплении числа отказавших каналов для обеспечении функционирования на последнем оставшемся в строю канале (принцип «каннибализации» или «элегантной деградации») и их сравнение со структурами «2 из 3-х» и «2 из 4-х» с постоянным резервированием.
5. Разработано и всесторонне апробировано программное обеспечение, реализованное в среде отечественного Программного комплекса «МВТУ 3.5».
Слайд 40Обнаружен неожиданный и необъяснимый эффект экстремума на кривой «Qc пост»
от «q».
Сравнение результатов, полученных для схемы «2 из 3-х» с
динамическим и с постоянным резервированием для вероятности нахождения в скрытом отказе “Qс” при различных значениях вероятности отказа “q”
Слайд 41Сравнение результатов, полученных для схемы «2 из 4-х» с динамическим
и с постоянным резервированием для вероятности нахождения в скрытом отказе
“Qс” при различных значениях вероятности отказа “q”
Для схемы «2 из 4-х» наблюдается тот же неожиданный и необъяснимый эффект экстремума на кривой «Qc пост» от «q», что и для схемы «2 из 3-х».
Слайд 42Четырехканальная УСБ со схемой "2 из 4-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 43Четырехканальная УСБ со схемой "2 из 4-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале
Слайд 44Четырехканальная УСБ со схемой "2 из 4-х" с реконфигурацией восстанавливающего
органа с работой на последнем канале