Стенд моделирования обеспечения сложных технических систем (СТС) запасными элементами при восстановлении их работоспособности
STAND FOR MODELING SUPPORT OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS (CTS) WITH SPARE ELEMENTS AT RESTORATION OF THEIR OPERATING EFFICIENCY

Заявленное изобретение предназначено для имитационного моделирования процессов восстановления работоспособности территориально распределенных сложных технических систем (СТС) при использовании научно обоснованных методов расчета количественного и номенклатурного состава комплектов запасных частей, имущества и принадлежностей (ЗИП) и их рационального размещения в структуре системы обеспечения ЗИП.
Известны способы моделирования отказов и повреждений сетей связи (RU 2351012, МПК G06N 5/00, приоритет от 04.04.2007, патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации). В способе предусмотрена нумерация средств, комплексов связи, линий связи, имитация применения по назначению средств и комплексов связи, генерация времени возникновения эксплуатационных отказов, повреждений и сбоев средств и комплексов связи, а также генерация времени начала подавления линий связи. Далее определяется начало очередной статистической реализации на время, соответствующее времени работы средства или комплекса связи, осуществляется розыгрыш степени повреждения и номера поврежденных средств и комплексов связи, розыгрыш продолжительности подавления и номера подавленных линий связи, производится запись времени нахождения средств и комплексов связи в неработоспособном состоянии, а также продолжительности подавления линий связи. При этом проверяется факт наступления отказа, повреждения, сбоя средств и комплексов связи и подавления линий связи, производится фиксация номеров поврежденных средств и комплексов связи, номеров подавленных линий связи, проверяется работоспособность средств и комплексов связи, линий связи, фиксируется общее время нахождения их в работоспособном и неработоспособном состоянии. Затем производится подсчет коэффициента готовности, а также осуществляется имитация восстановления средств, комплексов, линий связи.
Недостатком аналога является отсутствие возможности определения времени на восстановление работоспособности.
В качестве прототипа выбран эквивалент устройства, описанного в способе имитационного моделирования аварийно-восстановительных работ в хозяйстве автоматики и телемеханики (RU 2531780, МПК B61L 27/00, G01D 21/00, приоритет от 14.02.2013, патентообладатель ОАО «Российские железные дороги»), включающее программный комплекс, блок ввода постоянных данных, блок ввода общих вспомогательных данных, блок моделирования с возможностью формирования элементарных случайных событий с учетом законов распределения и постоянных данных, взаимосвязи при реализации процесса технического обслуживания и ремонта технических объектов.
Указанный прототип не учитывает в процессе восстановления задержки, связанные с поставкой запасных частей при выполнении операций ремонта. В этом случае имитируется идеальная система технического обслуживания и ремонта, когда все ресурсы для восстановления имеются в неограниченном количестве, а их доставка к участку (объекту) ремонта производится мгновенно.
Задачей заявленного технического устройства является разработка стенда для моделирования процессов восстановления работоспособности СТС.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в определении рациональной модели обеспечения СТС необходимыми ЗИП для обеспечения допустимого времени восстановления их работоспособности после отказа.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что стенд моделирования обеспечения сложных технических систем (СТС) запасными элементами при восстановлении их работоспособности, включающий программный комплекс, и состоящий из: блока ввода постоянных данных, блока ввода общих вспомогательных данных, блока моделирования с возможностью формирования элементарных случайных событий с учетом законов распределения и постоянных данных, взаимосвязи при реализации процесса технического обслуживания и ремонта технических объектов, согласно изобретения блок ввода постоянных данных включает совокупность модулей образцов техники (ОТ), образующих СТС, каждый модуль ОТ состоит из совокупности генераторов отказов, имитирующих работу узлов и элементов ОТ в соответствии со схемой его построения; блок моделирования включает совокупность модулей комплектов ЗИП образцов техники (ЗИП-О), комплекта ЗИП СТС (ЗИП-Г) и неисчерпаемого источника (НИ) и регистратора, при этом модули комплектов ЗИП-О связаны с модулем комплекта ЗИП-Г и модулем НИ, а модуль комплекта ЗИП-Г связан с модулем НИ, а каждый из этих модулей замыкается на модуль регистратора; в изобретении блок ввода общих вспомогательных данных, который формирует параметры стратегий пополнения комплектов ЗИП и выдает три фиксированных набора параметров о периодичности или условиях пополнения комплектов ЗИП.
В изобретении модули ЗИП и НИ могут состоять из счетчика заявок (СЗ) с функцией регистрации возникших отказов; блока обработки заявки с функцией имитации административных временных затрат на обработку заявки и формирования времени задержки в обработки заявки; сервера (накопителя) ЗЧ с функцией выдачи ЗЧ для восстановления работоспособности технического образца и приема ЗЧ из вышестоящего комплекта ЗИП; генератора времени доставки ЗЧ, запускающегося при условии наличия ЗЧ на сервере; блока управления доставкой, представляющего собой коммутирующее устройство для перенаправления исполненной заявки либо в нижестоящий комплект ЗИП, либо в устройство регистрации восстановления технического образца; блока регистрации пополнения ЗЧ, позволяющего фиксировать моменты пополнения комплекта ЗИП и переводящего сервер ЗЧ в режим накопления; генератора вторичных заявок в вышестоящий комплект, запускающегося при условии отсутствия ЗЧ на сервере и поступлении заявки на СЗ.
Блок ввода общих вспомогательных данных может быть реализован на основе генератора времени пополнения комплектов ЗИП, который формирует последовательность сигналов, соответствующих периоду или моменту времени восстановления начального запаса ЗЧ в зависимости от значения блока стратегии пополнения ЗИП и с учетом умножителя, который учитывает периодичность пополнения комплектов ЗИП-О и ЗИП-Г.
дост
Для имитации процедуры доставки ЗЧ при функционировании генератора времени доставки стенд может использовать гамма-распределение случайной величины времени доставки t:
д
где k>0, λ>0 - параметры закона распределения, Г(k) - гамма-функция
дост
На выходе блока моделирования среднее время доставки ЗЧ Т может быть определено в зависимости от стратегии пополнения ЗЧ по различным номенклатурам, представляемое в виде матрицы вида
где γ - вид стратегии пополнения, S совокупность реализаций случайных оценок времени доставки элементов из комплекта ЗИП по каждой номенклатуре в рамках выбранной стратегии пополнения,  - значение случайной величины времени доставки ЗЧ от комплекта ЗИП-О, либо ЗИП-Г, либо НИ при конкретной реализации работы модели.
Благодаря подобному выполнению стенда моделирования обеспечения СТС запасными элементами при восстановлении их работоспособности реализуется модель вида «СТС-система ЗИП», которая является рабочим инструментом для алгоритма оптимизации структуры и состава системы ЗИП в отношении обеспечения требуемых значений времени восстановления СТС при возникновении отказов.
Представленная реализация стенда позволяет:
учесть в структуре СТС наличие элементов, имеющих различные законы надежности, что более адекватно отражает условия ее эксплуатации и влияет на формирование количественного состава комплектов ЗИП;
разделить потоки заявок между комплектами ЗИП-О и ЗИП-Г не по априорным данным, как фактически реализовано в действующих нормативных документах, а сообразно условиям эксплуатации, которые закладываются в модель через реализованный уровень надежности как самой СТС, так и комплектов ЗИП;
осуществлять масштабирование и закладывает возможность реализовать систему обеспечения ЗИП любой структуры: одноуровневой или многоуровневой в: зависимости от условий применения или принципов построения СТС.
Заявленное изобретение поясняется фигурой, на которой изображена структурная схема принципа работы стенда.
Стенд моделирования обеспечения СТС запасными элементами при восстановлении их работоспособности включает программный комплекс, который позволяет имитировать реализованный уровень надежности ОТ из состава СТС и в зависимости от этого рассчитать структуру и характеристики системы обеспечения ЗИП с целью обеспечения заданной оперативности восстановления работоспособности СТС. Стенд состоит из трех основных блоков: блока ввода постоянных данных 1, блока ввода общих вспомогательных данных 2, блока моделирования 3 с возможностью формирования элементарных случайных событий с учетом законов распределения и постоянных данных, взаимосвязи при реализации процесса технического обслуживания и ремонта технических объектов.
Блок ввода постоянных данных 1 включает совокупность модулей 4 ОТ количество которых определяется структурой СТС. Каждый модуль ОТ представлен совокупностью генераторов отказов 5, размещенных в соответствии со схемой построения ОТ и имитирующих выход из строя его узлов и элементов.
ϕ
ϕ
Блока ввода общих вспомогательных данных 2 состоит из блока выбора стратегии пополнения ЗИП 6, который в зависимости от условий решения задачи выдает управляющий сигнал на генератор времени пополнения комплектов ЗИП 7. Генератор формирует последовательность сигналов с периодом следования , поступающую в модуль ЗИП-Г и в умножитель 8, который увеличивает период следования сигналов в два раза  для последующей передачи в модуль НИ. Блок ввода общих вспомогательных данных формирует параметры стратегий пополнения комплектов ЗИП и выдает три фиксированных набора параметров (Т и b), характеризующих способ пополнения запасок, имеющих следующие значения:
ϕ
Пϕ
ϕ
при γ=1 (периодическое пополнение): Т=Т - период планового пополнения ϕ-го запаса, b=0 параметр не используется;
ϕ
ТПϕ
ϕ
эдϕ
при γ=2 (периодическое пополнение с экстренными доставками): Т= - период планового пополнения ϕ-го запаса; b=t - время экстренной доставки ЗЧ ϕ-го типа;
ф
дост ϕ
ϕ
при γ=3 (непрерывное пополнение): Т=T - время доставки ЗЧ ϕ-го типа, b=0 - параметр не используется.
Блок моделирования 3 состоит из модулей ЗИП-О 9, модуля ЗИП-Г 10, модуля НИ 11 и модуля регистратора 12. Модули 9 связаны с модулем 10 и модулем НИ 11, а модуль 10 связан с модулем НИ 11, а каждый из этих модулей 9, 10, 11 замыкается на модуль регистратора 12.
Модули 9, 10, 11 состоят из счетчика заявок (СЗ) 13 с функцией регистрации возникших отказов; блока обработки заявки 14 с функцией имитации административных временных затрат на обработку заявки и формирования времени задержки в обработки заявки; сервера (накопителя) ЗЧ 15 с функцией выдачи ЗЧ для восстановления работоспособности технического образца и приема ЗЧ из вышестоящего комплекта ЗИП; генератора времени доставки ЗЧ 16, запускающегося при условии наличия ЗЧ на сервере; блока управления доставкой 17, представляющего собой коммутирующее устройство для перенаправления исполненной заявки либо в нижестоящий комплект ЗИП, либо в устройство регистрации восстановления технического образца; блока регистрации пополнения ЗЧ 18, позволяющего фиксировать моменты пополнения комплекта ЗИП и переводящего сервер ЗЧ в режим накопления; генератора вторичных заявок 19 в вышестоящий комплект ЗИП, запускающегося при условии отсутствия ЗЧ на сервере и поступлении заявки на СЗ.
Модуль регистратора 12 фиксирует время от момента поступления заявки на ЗЧ до момента поступления сигнала от генератора времени 16 доставки ЗЧ.
Для имитации процедуры доставки ЗЧ при функционировании генератора времени доставки 16 может быть использовано гамма-распределение случайной величины времени доставки (формулы 1, 2).
дост
Среднее время доставки ЗЧ Т в зависимости от стратегии пополнения ЗЧ по различным номенклатурам может быть представлено в виде матрицы (формулы 3, 4).
Принцип работы стенда заключается в следующем.
В блоке 6 выбирается вид стратегии пополнения комплектов ЗИП. Исследуются следующие виды стратегии пополнения комплектов ЗИП: γ=1 - периодическое пополнение, γ=2 периодическое пополнение с экстренными доставками, γ=3 - непрерывное пополнение. При выборе значений γ=1 и γ=2, запускается генератор 7: и выдает фиксированную последовательность сигналов с периодом следования , поступающую в модуль ЗИП-Г 10 на вход генератора 16, в умножитель 8, который увеличивает период следования сигналов в два раза  и далее в модуль НИ 11 на вход генератора 16. При значении γ=2 на вход блока 6 подается сигнал с серверов 15 модулей ЗИП-О 9 об исчерпании запасов ЗЧ с целью определения момента их экстренной доставки. При значении γ=3 генератор 7 на запускается.
В каждом сервере 15 устанавливается начальное значение уровня запасов ЗЧ по каждой номенклатуре . При этом принимаем, что уровень запасов сервера 16 модуля НИ 11 соответствует .
В модуле ОТ 4 запускаются блоки генераторов отказов (ГО) 5 и осуществляется генерирование случайной величины времени возникновения отказа каждого элемента из состава ОТ в соответствии с одним из видов законов распределения. В результате этого на временной оси формируется массив моментов отказов по каждой номенклатуре элементов ОТ.
В случае выбора в блоке 7 значения γ=1 на вход генераторов 16 поступают сигналы через фиксированные интервалы времени (периоды пополнения), по которым значение уровня запасов ЗЧ по каждой номенклатуре в серверах 15 для каждого модуля ЗИП 9 и 10 восстанавливается до начального уровня.
В начальный момент времени номер текущего периода пополнения равен 1 (k=1), значение счетчиков заявок 13 на ЗЧ каждого модуля 9, 10 и 11 имеет нулевое значение, а текущий уровень запаса в серверах 15 модулей 9 и 10 равен начальному
На интервале пополнения комплектов ЗИП в массиве моментов отказов по каждой номенклатуре элементов ОТ производится поиск ближайшего момента отказа ОТ и определяется ее индекс ϕ. Далее для элементов этой номенклатуры проверяется условие принадлежности случайной величины наработки до отказа интервалу пополнения. В случае выполнения условия запускаются модули ЗИП 9, в противном случае производится поиск на следующем интервале пополнения, а текущему уровню запаса серверов 15 в модулях ЗИП 9, 10 присваивается значение, равное значению первоначального уровня запасов.
При поступлении на вход СЗ 13 модуля ЗИП-О 9 заявки на ЗЧ ϕ-й номенклатуры его значение увеличивается на единицу.
При каждом увеличении своею значения СЗ 13 подает управляющий сигнал на сервер ЗЧ с задержкой на величину административного времени обработки заявки, которая формируется в блоке обработки заявки 14 и является случайной величиной, которая подчиняется равномерному закону распределения.
При этом значение текущего уровня запаса в сервере 15 уменьшается на единицу.
дост
д
При имитации выдачи ЗЧ запускается генератор времени доставки 16, формирующий случайную величину времени доставки ЗЧ из комплекта ЗИП. Для описания распределения случайного времени доставки t может быть выбрано гамма-распределение с параметрами k, λ, которое хорошо согласуется с реальными данными эксплуатации (формулы 1, 2).
Значение величины времени доставки  от генератора 16 поступает на вход регистратора 12, в котором производится статистическая обработка результатов моделирования.
Если в сервере 15 после отказа элемента ϕ-й номенклатуры ЗЧ данного типа отсутствуют, то генератор 16 модуля ЗИП-О 9 не включается, а запускается генератор заявок 19, который выдает на СЗ 13 модуля ЗИП-Г 10 управляющий сигнал. Модуль ЗИП-О 9 будет находиться в состоянии отказа по ЗЧ данной номенклатуры до окончания периода пополнения.
Работа модуля ЗИП-Г 10 осуществляется аналогичным образом. В случае его отказа (отсутствии ЗЧ) запускается генератор заявок 19, который выдает на СЗ 13 модуля НИ 11 управляющий сигнал. Модуль ЗИП-Г 10 будет находиться в состоянии отказа по ЗЧ данной номенклатуры до окончания периода пополнения.
Работа модуля НИ 11 при получении заявки осуществляется аналогичным образом, за исключением лишь того, что принимается допущение о безграничном уровне запасов ЗЧ в сервере 15.
дост
Модуль регистратора 12 представляет собой банк данных, в котором содержится накопленная информация о суммарном времени доставки от каждого модуля ЗИП при отказе элементов каждой номенклатуры. Данные регистратора используются для оценки величины среднего времени доставки ЗЧ Т.
В случае выбора в блоке 7 значения γ=2 на вход генераторов 16 также поступают сигналы через фиксированные интервалы времени (периоды пополнения), по которым значение уровня запасов ЗЧ по каждой номенклатуре в серверах 15 для каждого модуля ЗИП 9 и 10 восстанавливается до начального уровня. Однако, при поступлении на вход блока 6 сигнала с сервера 15 о том, что текущий уровень запасов равен нулю, генератор 7 выдает разовый сигнал на вход генератора 16 модуля ЗИП-Г 10 об организации экстренной доставки ЗЧ.
Особенности работы модулей 9, 10 и 11 при этом заключаются в следующем.
При поступлении на вход СЗ 13 модуля ЗИП-О 9 заявка на ЗЧ ϕ-й номенклатуры его значение увеличивается на единицу. СЗ подает управляющий сигнал на сервер ЗЧ. При этом значение текущего уровня запаса в сервере 15 уменьшается на единицу. При имитации выдачи ЗЧ запускается генератор 16, формирующий случайную величину времени доставки ЗЧ.
Если в сервере 15 после отказа элемента ϕ-й номенклатуры значение текущего уровня запаса будет равно нулю, то совместно с генератором 16 модуля ЗИП-О 9 запускается генератор заявок 19, который выдает на СЗ 13 модуля ЗИП-Г 10 управляющий сигнал.
Модуль ЗИП-О 9 при этом будет находиться в состоянии отказа по ЗЧ данной номенклатуры до момента экстренной доставки ЗЧ, либо до окончания периода пополнения, если величина времени экстренной доставки превышает срок ожидания плановой поставки
При поступлении сигнала от генератора заявок 19 на СЗ 13 модуля ЗИП-Г 10 его значение увеличивается на величину начального значения запасов комплекта ЗИП-О.
При таком увеличении своего значения СЗ 13 подает управляющий сигнал на сервер 15 через блок 14. При этом значение текущего уровня запаса в сервере 15 уменьшается на величину начального значения запасов комплекта ЗИП-О.
При имитации выдачи ЗЧ запускается генератор 16, формирующий случайную величину времени доставки ЗЧ из модуля ЗИП-Г 10 в модуль ЗИП-О 9 при условии одновременного нахождения на его входе сигнала от сервера 15 и от генератора 7. Значение  поступает в блок управления доставкой 17, который осуществляет выдачу сигнала только в блок регистрации пополнения ЗЧ 18 модуля ЗИП-О 9. В блоке 18 формируется команда в сервер 15 на приведение текущего запаса элементов ϕ-й номенклатуры к начальному значению.
Если в сервере 15 модуля ЗИП-Г 10 текущий уровень запасов не позволяет экстренно восстановить начальный уровень запасов модуля ЗИП-О 9, то модуль ЗИП-Г 10 переходит в состояние отказа и включается генератор заявок 19, который формирует фиксированную величину заявки, равную начальному уровню запасов модуля ЗИП-О 9 по ϕ-й номенклатуре, в модуль НИ 11. Работа модуля 11 осуществляется аналогичным образом.
Следует отметить, что экстренные доставки организуются только для пополнения начального уровня запасов модулей ЗИП-О 9, модуль ЗИП-Г 10 пополняется периодически, за исключением случаев, когда содержание элементов какой-либо номенклатуры в модуле ЗИП-О 9 не предусмотрено.
При такой организации доставки ЗЧ на вход регистратора 12 будет поступать только величина времени доставки ЗЧ  от модуля ЗИП-О 9.
В случае выбора в блоке 7 значения γ=3 запуск генератора 7 не производится.
В этом случае, при каждом срабатывании СЗ 13 сервер 15 модуля ЗИП-О 9 одновременно запускает и генератор 16, и генератор заявок 19. Значение величины  поступает на вход регистратора 12. Запустившийся при этом генератор заявок 19 выдает на СЗ 13 модуля ЗИП-Г 10 управляющий сигнал. Работа модулей ЗИП-Г 10 и НИ 11 осуществляется также как в режиме экстренной доставки, за исключением того, что также одновременно запускаются генераторы 16 и 19, а на входе генератора 16 отсутствует сигнал от генератора 7, что свидетельствует о единичном пополнении ЗЧ модулей ЗИП-О 9.
Выходными данными модели является совокупность S реализаций случайных оценок времени доставки элементов из модулей ЗИП по каждой номенклатуре в рамках выбранной стратегии пополнения.
В регистраторе 12 осуществляется статистическая обработка данных и формируется матрица значений среднего времени доставки ЗЧ каждой номенклатуры из комплектов ЗИП при различных стратегиях пополнения  (формула 3).
Таким образом, получаем для каждой номенклатуры элементов совокупность значений среднего времени удовлетворения заявки в ЗЧ, связанное с их доставкой из комплектов ЗИП. Это позволяет путем проверки условия
сформулировать требования к структуре системы обеспечения ЗИП по содержанию элементов каждой номенклатуры и применению к ним различных стратегий пополнения.