Системное оценивание функционирования сложных технических систем

Предложен подход к системному оцениванию функционирования сложных технических систем, базирующийся на своевременном выявлении причин, оперативном предупреждении перехода штатных ситуаций в нештатные, а также прогнозирования основных показателей «живучести» объекта на протяжении всего периода его экс...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Радюк, А.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України 2010
Schriftenreihe:	Системні дослідження та інформаційні технології
Schlagworte:	Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49690
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Системное оценивание функционирования сложных технических систем / А.Н. Радюк // Систем. дослідж. та інформ. технології. — 2010. — № 1. — С. 81-94. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-49690
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-496902013-09-25T03:05:38Z Системное оценивание функционирования сложных технических систем Радюк, А.Н. Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах Предложен подход к системному оцениванию функционирования сложных технических систем, базирующийся на своевременном выявлении причин, оперативном предупреждении перехода штатных ситуаций в нештатные, а также прогнозирования основных показателей «живучести» объекта на протяжении всего периода его эксплуатации. Запропоновано підхід до системного оцінювання функціонування складних технічних систем, який базується на своєчасному виявленні причин, оперативному запобіганні переходу штатних ситуацій у позаштатні та прогнозуванні основних показників «живучості» об’єкту протягом заданого періоду його експлуатації. An approach to the system evaluation for functioning of complex engineering systems is proposed, which is based on timely revealing of the reasons, efficient prevention of transition of standard situations into nonstandard ones and prognosis of basic indexes of the object survivability for the set term of its operation. 2010 Article Системное оценивание функционирования сложных технических систем / А.Н. Радюк // Систем. дослідж. та інформ. технології. — 2010. — № 1. — С. 81-94. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1681–6048 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49690 681.518.5 ru Системні дослідження та інформаційні технології Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах
spellingShingle	Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах Радюк, А.Н. Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології
description	Предложен подход к системному оцениванию функционирования сложных технических систем, базирующийся на своевременном выявлении причин, оперативном предупреждении перехода штатных ситуаций в нештатные, а также прогнозирования основных показателей «живучести» объекта на протяжении всего периода его эксплуатации.
format	Article
author	Радюк, А.Н.
author_facet	Радюк, А.Н.
author_sort	Радюк, А.Н.
title	Системное оценивание функционирования сложных технических систем
title_short	Системное оценивание функционирования сложных технических систем
title_full	Системное оценивание функционирования сложных технических систем
title_fullStr	Системное оценивание функционирования сложных технических систем
title_full_unstemmed	Системное оценивание функционирования сложных технических систем
title_sort	системное оценивание функционирования сложных технических систем
publisher	Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Проблеми прийняття рішень і управління в економічних, технічних, екологічних і соціальних системах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49690
citation_txt	Системное оценивание функционирования сложных технических систем / А.Н. Радюк // Систем. дослідж. та інформ. технології. — 2010. — № 1. — С. 81-94. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Системні дослідження та інформаційні технології
work_keys_str_mv	AT radûkan sistemnoeocenivaniefunkcionirovaniâsložnyhtehničeskihsistem
first_indexed	2025-07-04T10:56:16Z
last_indexed	2025-07-04T10:56:16Z
_version_	1836713592826626048
fulltext	© А.Н. Радюк, 2010 Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 81 УДК 681.518.5 СИСТЕМНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ А.Н. РАДЮК Предложен подход к системному оцениванию функционирования сложных технических систем, базирующийся на своевременном выявлении причин, оперативном предупреждении перехода штатных ситуаций в нештатные, а также прогнозирования основных показателей «живучести» объекта на про- тяжении всего периода его эксплуатации. Новые подходы к созданию современной техники определяют качественно новые требования к обеспечению ее техногенной и экологической безопас- ности. Это обусловлено не только тем, что потери от частичного или полно- го разрушения машин или конструкций могут в десятки раз превышать стоимость их создания. Но и тем, что катастрофы иногда имеют националь- ные или глобальные масштабы воздействия на население и окружающую среду. Более того, катастрофы с многомиллионными и миллиардными поте- рями, прошедшие на протяжении двух-трех последних десятилетий прошло- го века почти во всех промышленно развитых странах, доказывают, что су- ществующие принципы и механизмы управления безопасностью сложных объектов не отвечают современным требованиям [1]. Прежде всего, управление сложными объектами должно быть систем- ным, что следует трактовать как системную согласованность управления работоспособностью и управления безопасностью не только в соответствии с целями, задачами, ресурсами и ожидаемыми результатами, но и, что особо важно, в оперативности и результативности взаимодействия в реальных ус- ловиях нештатной ситуации [2]. Такая согласованность должна обеспечить оперативное и результативное взаимодействие указанных систем управле- ния. С одной стороны, должна обеспечиваться оперативность и результа- тивность системы безопасности по своевременному обнаружению нештат- ной ситуации, оцениванию ее степени и уровня риска, определению ресурса допустимого риска в процессе формирования рекомендаций по оператив- ным действиям ЛПР. С другой стороны, система управления работоспособ- ностью после получения сигнала о нештатной ситуации должна оперативно и результативно действовать, чтобы обеспечить готовность сложного объек- та к экстренному переходу в нерабочее состояние и обеспечить возмож- ность его реализации в пределах ресурса допустимого риска. Отсюда сле- дуют основные цели задачи системного управления сложными объектами. Цель работы — предложить подход к оцениванию функционирования сложных технических систем (СТС) на основе системного управления эти- ми объектами, суть которого заключается в системно согласованном оцени- вании и корректировании работоспособности и безопасности в процессе функционирования таких объектов. А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 82 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СТС В НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ Алгоритм управления безопасностью функционирования СТС в нештатных ситуациях базируется на принципе своевременного обнаружения причин, оперативного предотвращения перехода штатных ситуаций в нештатные, аварийные или чрезвычайные; а также выявления факторов риска, прогно- зирования основных показателей «живучести» объекта в течение заданного периода его эксплуатации как основы обеспечения гарантированной безо- пасности в динамике функционирования СТС, устранения причин возмож- ного перехода работоспособного состояния объекта в неработоспособное состояние на основе системного анализа многофакторных рисков нештат- ных ситуаций [3]. Прежде всего, следует обратить внимание на принципиальные отличия этой задачи от типовых задач управления. Важнейшее отличие в том, что исходная информация о сложном объекте содержит лишь незначительную часть сведений о его состоянии, свойствах, процессах функционирования, характеристиках работоспособности. Эти сведения отображают только ра- боту таких объектов в штатном режиме. Конечно, этих сведений может быть достаточно для принятия решений при управлении сложными объектами при условии, что штатный режим сохраняется продолжительное время. Од- нако, в реальных объектах при существующих системах технического диаг- ностирования, ориентированных на обнаружение отказов и неисправностей, нельзя гарантировать, что отказ или неисправность не произойдет в бли- жайшие 5–10 мин. И априори неизвестно, сколько времени потребуется для устранения неисправности. И, следовательно, априорно неизвестен возмож- ный ущерб, и потому система управления безопасностью является, по суще- ству, регистратором информации о свершившихся фактах и накопителем сведений об ущербах. Принципиально иной подход к управлению безопасностью может быть осуществлен на основе системного управления сложными объектами, суть которого в системно согласованном оценивании и корректировании работо- способности и безопасности в процессе функционирования таких объектов. Структурная схема алгоритма управления безопасностью в нештатных ситу- ациях приведена на рис. 1. По этой схеме блоками 2, 3, 5 реализуются проце- дуры диагностирования и оценивания нештатных ситуаций в процессе перехода штатного режима функционирования сложной системы в последовательность нештатных ситуаций. С использованием результатов этих процедур формиру- ется база данных и сценарий возникновения последовательности нештатных ситуаций (блоки 4 и 6). Полученная информация используется для принятия решения о последующих действиях (блок 7). В этом блоке определяется возмож- ность перехода сложного объекта из нештатных ситуаций в штатный режим. Анализируются три варианта: переход возможен (вариант 1); переход невозможен (вариант 2); информации о нештатных ситуациях недостаточно для принятия решения (вариант 3). Если переход в штатный режим возмо- жен, то выполняется процедура оценивания степени и уровня «живучести» объекта (блок 8.1). Если переход в штатный режим невозможен, то выпол- няется процедура оценивания степени и уровня риска последовательности нештатных ситуаций для объекта (блок 8.0). Если информации о нештатных ситуациях недостаточно для принятия решения о возможности или невоз- можности перехода в штатный режим, то выполняется процедура оценива- ния степени и уровня безопасности объекта (блок 8.2). Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 83 4.1. Реализация условий перехода 6.1. Анализ динамики ситуаций 12. Реализация решения 11. Принятие решения о технологической остановке функционирования 6.2. Оценивание ресурса допустимого риска 8.1. Оценивание степени и уровня «живучести» 4.0. Формирование базы данных о ситуациях 5.0. Оценивание динамики ситуаций 6.0. Формирование сценария динамики ситуаций 7. Переход в штатный режим возможен? 10. Степень и уровень риска допустимы? Нет Да ? 1. Штатный режим 9.1. Лимит времени достаточный? 8.2. Оценивание степени и уровня безопасности 2.0. Последовательность нештатных ситуаций 2.1. Переход в штатный режим 2.2. Переход в штатный режим 3.0. Диагностирование ситуаций 3.1. Последовательность штатных ситуаций 3.2. Последовательность штатных ситуаций 5.1 Условия перехода в штатную ситуацию 8.0. Оценивание степени и уровня риска 9.0. Оценивание лимита времени на формирование и реализацию решения 4.2. Уровень ресурса риска допустимый? Да Нет Да Нет Да Нет Рис. 1. Структурная схема алгоритма управления безопасностью сложных объектов в нештатных ситуациях А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 84 Последующие действия системы управления в условиях нештатных си- туаций ориентированы на исключение возможности аварии или катастрофы. В варианте 1-ом принимаются меры для перехода нештатных ситуаций в штатный режим на основе последовательного выполнения процедур, опре- деляемых блоками от 9.1 до 2.1. В варианте 2-ом принимаются меры для оценивания степени и уровня риска, лимита времени на формирование и реализацию решения о технологической остановке функционирования объекта на основе последовательного выполнения процедур, определяемых блоками 9.0; 10–12. В варианте 3-м принимаются меры для оценивания сте- пени и уровня безопасности, ресурса допустимого риска, лимита времени для формирования и реализации решения о технологической остановке функционирования объекта на основе последовательного выполнения про- цедур, определяемых блоками от 9.0; 8.2 до 4.2. Все варианты ориентирова- ны на предотвращение аварии до момента crT . ИНСТРУМЕНТАРИЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СТС СТС здесь — это технический объект разной природы, который образован из нескольких подсистем (рис. 2). Каждая из подсистем состоит из функ- ционально взаимозависимых параметров, значения которых измеряются с помощью датчиков. Для этого к каждой подсистеме подсоединяются группы датчиков, причем у каждого из них, в зависимости от физической природы, имеют место разные рабочие показатели (разная дискретизация по времени, по раздельной способности). Основой реализации алгоритма управления безопасностью СТС явля- ется разработка блока диагностирования в виде инструментария техниче- ской диагностики (ИТД) функционирования СТС [4]. Инструментарий тех- нической диагностики функционирования СТС состоит из следующих модулей (рис. 3): 1. Получение исходной информации в процессе функционирования СТС, которое включает: Подсистема І – параметр 1 – параметр 2 … – параметр n1 Подсистема IІ – параметр 1 – параметр 2 … – параметр n2 Подсистема K – параметр 1 – параметр 2 … – параметр nk Подсистема І – датчик 1 – датчик 2 … – датчик n1 Подсистема IІ – датчик 1 – датчик 2 … – датчик n2 … Подсистема K – датчик 1 – датчик 2 … – датчик nk ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ Рис. 2. Схема структуры технического объекта Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 85 • cнятие в реальном режиме времени показателей датчиков объемом 01N и 02N выборок, где 01N ( 20001 >>N ) — общее количество выборки в процессе функционирования СТС в реальном режиме времени; 02N ( 0102 NN << ; 704002 ÷=N ) — количество базовой выборки, требуемое для восстановления функциональных зависимостей (ФЗ); • приведение исходной информации к определенному стандартному виду, который обеспечивает возможность формирования функциональных зависимостей. С учетом предлагаемой методики в качестве базовых аппрок- симирующих функций выбираются полиномы Чебышева, что обусловливает нормирование всей исходной информации к отрезку [0, 1]. 2. Восстановление ФЗ и выявление закономерностей по эмпирическим дискретно заданным выборкам, включающее такую последовательность взаимосвязанных задач [5]: • формирование приближающих функций в виде иерархической мно- гоуровневой системы моделей; • выбор класса и структуры приближающих функций при формирова- нии функциональных зависимостей; • выбор критериев, принципов, подходов и методов построения при- ближающих функций; В ы бо р кл ас са и с тр ук ту ры п ри бл иж аю - щ их ф ун кц ий (П Ф ) В ы бо р кр ит ер ие в, п ри нц ип ов , по дх од ов и м ет од ов п ос тр ое ни я П Ф В ос ст ан ов ле ни е Ф З по N 02 за да нн ы м вы бо рк ам В ы яв ле ни е сл уч ай но го в ы бр ос а с уч ет ом э ле ме нт ов р об ас тн ос ти П ро гн оз ир ов ан ие н а p в ыб ор ок с ис по ль зо - ва ни ем св ой ст в по ли но мо в Че бы ш ев а У ст ан ов ле ни е св яз ей П Ф c фу нк ци ям и ри ск а В ос ст ан ов ле ни е Ф З по N 02 вы бо рк ам , с ме щ ен ны м на k зн ач ен ий У ст ан ов ле ни е пр ич ин в оз мо ж но го п ер е- хо да ш та тн ой си ту ац ии в н еш та тн ую О бе сп еч ен ие р аб от ос по со бн ос ти «ж ив уч ес ти и » С ТС П ри ве де ни е ис хо дн ой и нф ор ма ци и к оп ре де ле нн ом у ст ан да рт но му в ид у С ня ти е по ка за те ле й с да тч ик ов Получение исходной информации Восстановление функцио- нальных зависимостей (ФЗ) по дискретно заданным выборкам Процедура квантования Построение процесса технического диагностирования Информационная платформа технической диагностики СТС Рис. 3. Структурная схема информационной платформы технической диагностики СТС А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 86 • установление связей восстановленных приближающих функций с функциями риска; • восстановление функциональных зависимостей по 02N заданным выборкам. 3. Процедура квантования исходных переменных состоит из: • восстановления функциональных зависимостей по 02N выборкам, смещенным на k ( 151÷=k ) значений; • выявления случайного сбоя с учетом элементов робастности с целью обеспечения минимизации уровня зависимости от погрешности измерения переменных miynjx ij ,1,;,1, == (процедура «ступенька»). 4. Построение процесса технического диагностирования включает: • прогнозирование функциональных зависимостей на p выборок с использованием свойств полиномов Чебышева; • установление причин возможного перехода штатной ситуации в не- штатную; • обеспечение «живучести» и работоспособности СТС. Штатный режим функционирования исследуемого объекта и возмож- ные нештатные режимы описывает система моделей функционирования СТС при допущениях и утверждениях, приведенных в [6]. ДИАГНОСТИКА СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ В качестве примера реализации методологии гарантированной безопасности функционирования сложной технической системы рассматривается реаль- ная глубинная установка, функциональная схема которой приведена на рис. 4. Основное назначение установки: обеспечение заданного уровня nQ расхода воды для потребителей. Приоритетным является здесь процесс по охлаждению технологической экологически опасной установки. Приведем описание работы системы водоснабжения в штатном режи- ме, при котором потребители расходуют воду в нормальном режиме, утечки отсутствуют, глубинный насос обеспечивает номинальную продуктивность. Расход воды каждым потребителем — переменный, изменяющийся от ми- нимального до максимального по синусоидальному закону. Глубинный на- сос осуществляет наполнение резервуара емкостью 3м25=rV . Регулятор глубинного насоса релейный, с приведенной на рис. 5 характеристикой. В резервуаре установлен датчик уровня воды, выдающий сигнал уровня воды rh . Включение насоса происходит при снижении уровня воды в резервуаре ниже значения 40of ≤= rhh м; выключение — при 45of ≥= rhh м. Глубин- ный насос во включенном состоянии обеспечивает производительность ndn QQ 5,1= . Подает воду из резервуара потребителям в системе водоснаб- жения установка, состоящая из трех насосов (А 1, А 2, А 3), два из которых работают в штатном режиме, один — в аварийном. Производительность ка- ждого составляет 2/nnn QQ = . Насосная установка работает в режиме ста- билизации давления, для чего на выходной трубе стоит датчик ДД 1 измере- ния напора воды 1H . Через нерегулируемый вентиль В 1 и клапан КЛ 1 вода поступает в водопроводную сеть. Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 87 Ри с 4. Ф ун кц ио на ль на я сх ем а во до пр ов од но й гл уб ин но й си ст ем ы в од ос на бж ен ия Гл уб ин ны й на со с Д Д 1 Д ат чи к ур ов ня во ды в р ез ер ву ар е Ре зе рв уа р Вкл/Откл (Ud) Д Д 2 Т ех но ло ги че ск ая ус та но вк а, тр еб ую щ ая дл я ох ла ж де ни я ~3 80 V П Ч K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 А 1 А 2 А 3 Н ас ос по дк ач ки У пр ав ля ю щ ий к он тр ол ле р Вкл/Откл Вкл/Откл К ом ан ды вк лю че ни я К 1 – К 6 В ен ти ль К ла па н В 1 В 2 В 3 В 4 К Л 1 П 1 П 2 П 3 Н ап ор в од ы Q 3 Q 2 А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 88 К водопроводной сети подключены три группы потребителей, у кото- рых максимально возможный штатный уровень расхода соответственно сос- тавляет: nnn QQQQQQ 3,0,4,0,3,0 321 ≤≤≤ . Подача воды к потребителям П1 и П3 не является критическим фактором. Она может быть перекрыта путем запирания управляемых вентилей В2 и В4 соответственно. Подача воды в технологический объект является обязательной, ее нарушение ведет к недопустимой аварии. На входе технологического объекта (бойлера) уста- новлен контрольный датчик давления ДД 2, а также насос подкачки для регулирования количества расходуемой воды, а, следовательно, — и темпе- ратуры бойлера. График заданной температуры бойлера изменяется по синусоидальному закону, в диапазоне от 50 С до 90 С с периодом 1200=tT сек. В штатном режиме требования технологического процесса в отношении необходимого расхода воды полностью удовлетворяются, т.е. обеспечивается надежный отбор тепла в бойлере, и его температура на- ходится в допустимых пределах. В штатном режиме работает один или два насоса одновременно, в зави- симости от уровня расхода воды. Стабилизацию давления на выходе уста- новки осуществляет управляющий контроллер, который формирует задание на скорость регулируемого насоса, а также подключает/отключает к сети / от сети нерегулируемые насосы. Переходные процессы для нештатного режима могут быть связаны как с недостаточной (половиной или четвертью от номинальной) продуктивно- стью работы глубинного насоса, так и с возможностью прогрессирующей утечки у потребителей № 1 и № 2. Перечень описания нештатных режимов, потенциально приводящих к аварийным ситуациям, и непосредственно потенциально возможные аварийные ситуации приведены соответственно в табл. 1 и табл. 2. В процессе функционирования системы водоснабжения, с целью свое- временного выявления причин потенциально возможных нештатных ситуа- ций и обеспечения «живучести» ее функционирования в реальном масштабе времени, проводится мониторинг технического диагностирования. В соответ- ствии с требованиями разработанного инструментария технического диаг- ностирования, по глубине резервуара и в ряде ключевых точек системы во- доснабжения были установлены датчики, с которых через каждые 10 сек. снимались показатели. Для рассмотренного эксперимента приводятся показания датчиков уровня воды rh в резервуаре и напора воды 2H при входе в технологическую установку и их аргументов в течении 5000 сек. (500 выборок). Ud 1 0 hon hoff hτ Рис. 5. Схема релейного регулятора глубинного насоса Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 89 Т а б л и ц а 1 . Описание нештатных режимов, потенциально приводящих к аварийным ситуациям № Причина возникновения Способ идентификации Причины и последствия 1. Отказ привода регулируемого насоса Сигнал с преобра- зователя частоты Выход из строя электропривода. Регулирование давления в сети осуществляется одним/двумя дви- гателями в релейном режиме. При пусках проис- ходят гидравлические удары, что приводит к сни- жению надежности водопроводной сети и насосов 2. Уровень воды в резервуаре ниже 1kh Датчик уровня в резервуаре Рабочие параметры глубинного насоса вне нормы (снижено напряжение питающей сети, засорение трубы глубинного насоса). Резервуар наполняется с меньшей производительностью (прямопропор- ционально снижению напряжения сети или воз- росшему гидравлическому сопротивлению трубы глубинного насоса). При отсутствии утечки (т.е., когда работают два насоса, ситуация может быть как штатной, когда производительность >dnQ nQ> , так и нештатной, когда ndn QQ < ). Если есть утечка, глубинный насос потенциально не сможет обеспечить производительность на уровне nQ5,1 ). Если уровень в резервуаре выше 2kh , то ситуация нештатная. Если ниже 2kh — предава- рийная, перекрываются потребители 21, QQ 3. Давление на вы- ход ниже нормы (работают два насоса) ДД 1, ДД 2 1. Утечка между выходом насосной установки и ДД 2. 2. Утечка между В 3 и ДД 2. Включается третий насос. Общий уровень утечки — nQQ <out 4. Выход из строя одного из насосов Сигнал, поданный насосом При наличии утечки в системе водоснабжения нет возможности обеспечить полный штатный рас- ход nQ 5. Для поддержания 2H в заданных пределах необхо- дима большая скорость регули- руемого насоса или включение большего количе- ства нерегулируе- мых. Расход воды из резервуара за- нижен Сигнал задания на скорость, команды включения насосов, ДД 1, ДД 2. Частичная закупорка водопровода между насосной установкой и бойлером 6. Отказ двух насосов Сигнал коммутационной аппаратуры, от контроллера (по косвенным признакам) Один насос способен обеспечить нужды техноло- гического процесса, если суммарная утечка nQQ 2,0out < 7. max2 HH > ДД 2 Выход из строя ДД 1 или его обрыв. Завышенное давление в водопроводе приводит к возникнове- нию или увеличению утечки 8. Выход из строя контроллера управления Сигнал контроллера Один насос включается напрямую, некритичные потребители перекрываются, регулирование дав- ления отсутствует А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 90 Т а б л и ц а 2 . Потенциально возможные аварийные ситуации № Перечень аварий Способ идентификации Описание ситуации 1. Отказ двух насосов, утечка nQQ 2,0out < Сигнал коммутационной аппаратуры, от контрол- лера (по косвенным признакам) Аварийная ситуация с возможностью перехода к нештатной, если привести уровень утечки в норму 2. Отказ трех насосов Сигнал коммутационной аппаратуры, от контрол- лера (по косвенным признакам) Авария 3. Давление на входе бой- лера ниже min2H , ДД1 в норме, расхода нет ДД 1, ДД 2, датчик уровня rh Полная закупорка водопровода, залипание клапана, и др. Авария 4. Давление на входе бой- лера ниже min2H (рабо- тают три насоса), ДД1 в норме, расход завышен, все другие потребители перекрыты ДД1, ДД2, датчик уровня rh Утечка выше допустимой. Авария 5. Отказ глубинного насоса, снижение 2kr hh < Датчик уровня, сигнал состояния глубинного насоса Авария В соответствии с разработанной методологией гарантированной безопасности функционирования сложной технической системы на начальном этапе 0tt = по 50=N начальным дискретно заданным выбор- кам значений rh и 2H и их аргументов выполняется восстановление функциональных зависимостей ...),,...,( 1 jii xxfy = . Здесь ),( 12111 xxhy r= ; ),,,( 2423222122 xxxxHy = , где 11x — суммарный расход воды; 12x — про- дуктивность глубинного насоса; 21x — напор воды 1H на выходе насосной установки; 22x — суммарный расход воды; 23x — число включенных насо- сов; 24x — скорость регулируемого насоса. В качестве базовой динамической статистики по тем же переменным принимаются статистики выборки динамики функционирования объекта за последние 50 измерений. Поэтому при очередном измерении 51=+ kN , Kk ,1= должна производиться процедура отбрасывания самого первого из- мерения исходной выборки и выполняться перенумерация измерений (рис. 6). При восстановлении функциональных зависимостей rh и 2H ис- пользуются текущие 50 значений выборки, так как при использовании большего количества элементов выборки результирующая функция будет очень медленно реагировать на кардинальное изменение входных парамет- ров, а при существенно меньшем количестве элементов выборки данных будет не достаточно для корректного восстановления функциональной зави- симости. Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 91 При этом полагается, что в качестве базового используются смещенные полиномы Чебышева )(* jq xT первого рода q -го порядка, вследствие чего все jx и iy нормируются к интервалу [0, 1]. На основании восстановленных в аналитическом виде закономерностей rh и 2H в интервале [0; 0,8], используя известное свойство смещенных по- линомов Чебышева — обеспечивать равномерное приближение функций на интервале [0, 1], осуществляется гарантированный прогноз на 10 значений в интервале (0,8; 1]. Работу в штатном режиме обеспечивают синхронные и синфазные из- менения показателей закономерностей rh и 2H и их аргументов. Нештатная ситуация возникает, если хотя бы одна из функциональных зависимостей rh или 2H достигают значения ниже допустимого уровня: 39<rh м; 1002 <H . Здесь авария — это ситуация, когда 2H опускается ниже значения 50min2 ≤H м и наблюдается снижение уровня воды 22 =< kr hh м на период времени более 60 сек. Сбой в работе датчиков фиксируется при использова- нии процедуры «построения ступенчатой функции», что позволяет выявить случайный выброс одного из датчиков. Для качественного оценивания ситуации вводится понятие «уровень опасности». В зависимости от перехода в нештатную ситуацию и поведения функциональных зависимостей ),( 12111 xxhy r= и ),,,( 2423222122 xxxxHy = , вводится классификация 8-ми уровней опасности (табл. 3), распределение которых по времени приведено на рис. 7. Т а б л и ц а 3 . Классификация уровней опасности Уровень опасности Описание 0 Безопасная ситуация 1 Нештатная ситуация по одному параметру 2 Нештатная ситуация по нескольким параметрам 3 Наблюдается угроза аварии 4 Высокая угроза аварии 5 Критическая ситуация 6 Шанс избежать аварии исключительно мал 7 Авария 1 2 3 49 50 выборка на 0tt = выборка на ttt ∆+= 0 51 1 50 2 2 Рис. 6. Схема статистики выборки динамики функционирования объекта А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 92 Вероятность наступления нештатной ситуации рассчитывается по формуле: )1)(1(1 2 rhH PPP −−−= , где 2HP — вероятность, что уровень напора воды 2H опустится ниже ава- рийного уровня; rhP — вероятность, что уровень воды rh опустится ниже аварийного уровня. Расчет 2HP и rhP проводится следующим образом: aнсaнснсh hhhhyhP r ≠−−−= ,)(/)(1 пр1 ; aнсaнснсH HHHHyHP ≠−−−= 22пр22 ,)(/)(1 2 , нсh — уровень воды в нештатной ситуации ( 39<rh м); пр1y — текущий уровень воды (восстановленная функциональная зави- симость ),( 12111 xxhy r= с учетом прогноза на 10 значений выборки); ah — уровень воды в аварийной ситуации ( 22 ≤= kr hh м); нсH2 — уровень напора воды в нештатной ситуации ( 1002 <H ); пр2y — текущий уровень напора воды (восстановленная функциональ- ная зависимость ),,,( 2423222122 xxxxHy = с учетом прогноза на 10 значений выборки); aH — уровень напора воды в аварийной ситуации ( 50min22 ≤= HH ). В процессе функционирования системы водоснабжения на информа- ционном табло (табл. 4) отображается процесс диагностирования, что дает возможность оператору получать своевременную предварительную инфор- мацию о возможном переходе функций пр1y и пр2y в нештатный режим и принимать решение о своевременном устранении причины возникновения нештатной ситуации, аварии и катастрофы. Как следует из анализа полученной статистики функционирования сис- темы водоснабжения, до момента времени 1300 сек. система запускается и работает в штатном режиме. В момент времени 1300 сек. открывается про- грессирующая утечка у потребителя П 1, а в момент времени 1700 сек. — у потребителя П 3. В результате, возрастание суммарного расхода воды при- водит к угрозе возникновения нештатной ситуации, когда постоянно вклю- ченный глубинный насос не в состоянии поддерживать уровень воды в ре- зервуаре на заданном уровне. При этом напор на входе в технологическую Рис. 7. Распределение по времени уровней опасности Системное оценивание функционирования сложных технических систем Системні дослідження та інформаційні технології, 2010, № 1 93 установку снижается. При снижении объема воды в резервуаре менее 30 м3 перекрывается потребитель № 1, а при снижении менее 28 м3 — потреби- тель № 3. В момент времени 1810 сек. наступает нештатная ситуация, когда уровень воды rh в резервуаре опускается ниже 39 м3 и значение напора 672 <H м. Обратное включение потребителей № 1 и № 2 выполняется при объемах воды в резервуаре, равных 38 м3 и 36 м3 соответственно в момент времени 2910 сек. После восстановления объема в резервуаре выше 38 м3, (момент време- ни, равный 2900 сек.), т.е. когда водоснабжение всех потребителей возобно- влено, ситуация повторяется, поскольку утечка не ликвидирована. В момент времени 3110 сек. устраняется утечка у первого потребителя, а в момент времени 4310 сек. — у потребителя П3. Время, за которое устраняется уте- чка, принято равным 10 сек. После ликвидации утечек система водоснабже- ния возвращается в штатный режим. Т а б л и ц а 4 . Информационное табло для оператора (фрагмент) № вы- борки Уро- вень воды rh Напор воды 2H Состояние функционирования Риск аварии Причина нештатной ситуации Уро- вень опас- ности 51 40,26 124,16 Система функционирует нормально 0,00% – 0 52 40,47 125,02 — // — 0,00% – 0 53 40,74 126,12 — // — 0,00% – 0 54 40,99 127,15 — // — 0,00% – 0 …………………………………………………………………………………….. 176 39,54 69,64 — // — 60,72% Слабый напор ( 2H ) 3 177 39,54 69,65 — // — 60,70% Слабый напор ( 2H ) 3 178 39,51 69,35 — // — 61,29% Слабый напор ( 2H ) 3 179 39,44 68,67 — // — 62,66% Слабый напор ( 2H ) 3 180 39,33 67,58 — // — 64,84% Слабый напор ( 2H ) 3 181 38,02 66,11 Нештатная ситуация 68,63% Низкий уровень воды и слабый напор )&( 2Hhr 3 182 37,73 64,36 — // — 72,27% Низкий уровень воды и слабый напор )&( 2Hhr 4 183 37,42 62,44 — // — 76,18% Низкий уровень воды и слабый напор )&( 2Hhr 4 …………………………………………………………………………………..… 421 39,09 129,69 Система функционирует нормально 0,00% – 0 422 39,04 128,90 — // — 0,00% – 0 423 38,98 127,86 Нештатная ситуация 0,06% Низкий уровень воды ( rh ) 1 424 38,90 126,58 — // — 0,27% Низкий уровень воды ( rh ) 1 А.Н. Радюк ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2010, № 1 94 Продолжение табл. 4 425 38,83 125,25 — // — 0,47% Низкий уровень воды ( rh ) 1 426 38,77 124,19 — // — 0,62% Низкий уровень воды ( rh ) 1 427 38,75 123,73 — // — 0,67% Низкий уровень воды ( rh ) 1 428 38,78 124,01 — // — 0,60% Низкий уровень воды ( rh ) 1 429 38,83 124,86 — // — 0,45% Низкий уровень воды ( rh ) 1 430 38,90 125,94 — // — 0,27% Низкий уровень воды ( rh ) 1 431 39,66 126,96 Система функционирует нормально 0,00% – 0 432 39,73 127,76 — // — 0,00% – 0 ……………………………………………………………………………………. 496 43,26 128,61 — // — 0,00% – 0 497 43,26 128,93 — // — 0,00% – 0 498 43,27 129,14 — // — 0,00% – 0 499 43,27 129,32 — // — 0,00% – 0 500 43,28 129,54 — // — 0,00% – 0 Приведенные исследования показывают, что процесс оценивания функционирования системы водоснабжения с привлечением разработанной методологии гарантированной безопасности функционирования сложной технической системы позволяет в реальном режиме времени своевременно выявить причину и предотвратить возможный переход функционирования системы в нештатную ситуацию и принятия решения, обеспечивающего «живучесть» работоспособности сложной технической системы. ЛИТЕРАТУРА 1. Механика катастроф. Под общ. ред. акад. К.В. Фролова.. — М.: Между- нар. инст. безопас. сложных техн. систем, 1995. — 389 с. 2. Панкратова Н.Д. Системный анализ в динамике диагностирования сложных технических систем // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2008. — № 1. — С. 33–49. 3. Zgurovsky M., Pankratova N. System analysis: Theory and Applications. — Berlin: Springer Verlag. — 2007. — 475 p. 4. Панкратова Н.Д., Радюк А.М. До створення засобів і систем неруйнівного контролю та технічного діагностування // Наукові праці: Наук.-метод. журн. Миколаївський держ. гуманітарний ун-т. ім. Петра Могили комплек- су «Київська Могилянська академія». — Серія: Комп’ютерні технології. — 2008. — 90, вип. 77. — С. 43–52. 5. Панкратова Н.Д. Рациональный компромисс в системной задаче концептуаль- ной неопределенности // Кибернетика и системный анализ. — 2002. — № 4. — С. 162–180. 6. Панкратова Н.Д., Радюк А.М. Підхід до розпізнавання позаштатної ситуації в динаміці функціонування техногенно небезпечного об’єкту // Наукові вісті «КПІ». — 2008. — № 3. — C. 43–52. Поступила 02.12.2009

Системное оценивание функционирования сложных технических систем

Institution

Ähnliche Einträge