[06-2023] Инженерная методика количественного анализа дерева отказов систем ЖАТ

[Admin]

Инженерная методика количественного анализа дерева отказов систем ЖАТ

ШЕВЧЕНКО Дмитрий Николаевич, ЗАО «Струнные технологии», главный специалист, канд. техн, наук, доцент, Минск, Беларусь

Ключевые слова: железнодорожная автоматика, функциональная безопасность, интенсивность опасных отказов, анализ дерева отказов
Аннотация. Существующие стандарты анализа деревьев отказов не указывают способ вычисления интенсивности отказов, что актуально для систем железнодорожной автоматики. В научной литературе имеются соответствующие модели, но их применение на практике не регламентировано и затруднено. В статье предлагается инженерная методика количественного анализа деревьев отказов систем железнодорожной автоматики, которая позволяет определять интенсивность наступления событий. Методика может быть использована для анализа безотказности, а также функциональной безопасности систем на этапах проектирования, при выборе элементов и структуры системы, а также при внедрении и сертификации.

При подтверждении соответствия требованиям функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики основным нормируемым количественным показателем является интенсивность опасных отказов системы [1] или интенсивность отказа ее функций, связанных с безопасностью [2].
Одним из наиболее эффективных методов анализа безопасности является анализ деревьев отказов (ДО), который предполагает их построение на основе причинно-следственных связей отказов элементов с отказами подсистем и системы в целом, а также количественный анализ - определение вероятностных характеристик результирующего события (отказ системы) на основе характеристик базовых событий (отказы элементов) и структуры ДО.
Однако в существующих стандартах количественный анализ деревьев отказов ограничивается определением вероятности наступления результирующего события и не учитывает всех вариантов взаимосвязей событий-следствий и событий-причин. Так, стандарты [3, 4] включают модели определения функции отказа для логических условий «И» и «ИЛИ». При этом рекуррентное использование указанных моделей (для многоярусных ДО) затруднено. Для логического условия «И» не определяется интенсивность совместного наступления нескольких событий в течение заданного времени (в течение которого отказы могут накапливаться, оставаясь необнаруженными, или до перевода системы в защитное состояние). А стандарты [5, 6] определяют только вероятность результирующего события при условии независимости исходных событий.
Современная научная литература [7, 8] предлагает адекватные аналитические модели ДО, учитывающие последовательность отказов, их
зависимость и многие другие аспекты реальных систем ЖАТ. Однако применение таких моделей на практике для сложных ДО ограничивается высокими требованиями к квалификации инженерного персонала и необходимостью сложных математических преобразований, с которыми порой не способны справиться даже современные системы компьютерной математики. Использование специализированных компьютерных пакетов анализа ДО также не решает всех проблем, поскольку требует квалифицированного сертифицированного применения пакетов. Используемые в них математические модели и методы скрыты от пользователя и требуют дополнительной валидации со стороны регулирующих органов и лабораторий, выполняющих экспертизу результатов.
С целью преодоления указанных проблем предлагается формальная методика определения интенсивности опасных отказов систем ЖАТ, допускающая рекуррентное применение для сложных систем. Она воспроизводится с помощью простых инженерных вычислительных средств, не занижает расчетное значение интенсивности опасных отказов по сравнению с истинным значением.
Представим общий подход к определению количественных показателей безотказности и безопасности функционирования СЖАТ, модели надежности которых представлены деревьями отказов с использованием логических условий «И», «ИЛИ» и «Приоритетное И» (рис. 1).
Определим следующие случайные величины и функции:
- время до наступления первого события-причины с функцией распределения F1 (t);
- время до наступления второго события-причины, описываемое функцией распределения F2(t);

следующие вероятностные характеристики промежуточных и результирующего событий: среднее время до наступления события; гамма-процентное время до наступления события; наиболее вероятное время до наступления события; медиану времени до наступления события; вероятность наступления события в течение времени t.
В случае, когда общий подход анализа ДО затруднен из-за сложности математических преобразований, целесообразно использовать упрощенный подход.
Дополнительным допущением упрощенного подхода является экспоненциальное распределение времени до наступления каждого из событий. При этом интенсивность наступления каждого события предполагается не зависящей от времени.
Интенсивность события-следствия определяется на основе интенсивностей событий-причин в зависимости от логического условия наступления события-следствия. Если событие-следствие связано с событиями-причинами логическим условием «ИЛИ», то интенсивность события-следствия определяется выражением (4). Если событие-следствие связано с событиями-причинами логическим условием «И» или «Приоритетное И», то интенсивность наступления события-следствия определяется выражением (7).
Впоследствии расчетная интенсивность наступления события-следствия также предполагается постоянной (не зависящей от времени) и используется для определения интенсивностей наступления следующих событий ДО снизу вверх.
Предлагаемая методика содержит необходимые математические модели и алгоритмы количественного анализа деревьев отказов систем ЖАТ. Она актуальна для анализа безотказности невосста-навливаемых систем, а также для анализа функциональной безопасности СЖАТ (выполняющих функции безопасности).
Основным допущением используемой математической модели является взаимная независимость событий-причин. Преодоление данного допущения возможно за счет изменения структуры ДО, изменения вероятностных характеристик событий-причин или благодаря применению других более адекватных математических моделей, которые должны быть обозначены и прокомментированы. При этом должен рассматриваться пессимистичный вариант, в котором расчетная интенсивность отказов не занижена по сравнению с истинным значением.

СПИСОК источников
1. ГОСТ 34012-2016. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Общие технические требования. Введ. 01.10.2017. М.: Стандартинформ, 2017.
2. EN 50126-2:2017. Railway Applications - The Specification and Demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS). Part 2: Systems approach to safety. Bruxelles, 2017.
3. ГОСТ P 27.302-2009. Надежность в технике. Анализ дерева неисправностей. Введ. 01.09.2010. М.: Стандартинформ, 2011.
4. IEC 61025:2006. Fault Tree Analysis = Анализ диагностического дерева неисправностей. Publ. 13.12.2006.
5. ГОСТ Р МЭК 62502-2014. Менеджмент риска. Анализ дерева событий. Введ. 01.12.2015. М.: Стандартинформ, 2015.
6. IEC 62502:2010. Analysis techniques for dependability -Event tree analysis. Publ. 27.10.2010.
7. Викторова B.C., Степанянц A.C. Модели и методы расчета надежности технических систем. Изд. 2, испр. М.: URRS, 2016. 256 с.
8. Анализ дерева отказов в среде программирования R. Учет отказов по общей причине / А.В. Антонов, Е.Ю. Галивец, В.А. Чепурко, А.Н. Черняев И Надежность. 2018. Т.18, № 3 (66). С. 3-9.
9. Шевченко Д.Н. Основы теории надежности : учебно-методическое пособие. Гомель : БелГУТ, 2010. 250 с.
10. РТМ 32 ЦШ 1115843.02-94. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Методы расчета показателей безотказности и безопасности СЖАТ.

[Александр]

Скоро, 6л..., методичку выпустят и на старшего возложат расчёт