УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПЕРИОДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ
APPARATUS FOR DETERMINING OPTIMUM PERIODS FOR SYSTEM MAINTENANCE

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к устройствам контроля. Оно применимо в научных исследованиях и практике эксплуатации технических систем для определения оптимальных сроков обслуживания средств этих систем.
Известны устройства [1, 2, 3], позволяющие вычислять оптимальные по критерию готовности периоды технического обслуживания изделий, не входящих непосредственно в состав сложной системы, что ограничивает область применения этих устройств.
Известны также устройства [4, 5], обеспечивающие определение оптимальных периодов технического обслуживания средств сложных систем, реализуя минимаксный критерий. При этом все средства системы должны обслуживаться с одинаковой периодичностью, соответствующей оптимальному периоду наименее надежного средства данной системы. Эти устройства целесообразно применять для систем, средства которых близки по характеристикам надежности. Если же система состоит из средств существенно различающихся по надежности, то обслуживание их с одинаковой периодичностью, вычисленной устройствами [4, 5], не позволяет рационально использовать надежностный потенциал остальных более надежных средств, из этого следует, что область применения [4, 5] ограничена. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство [6], содержащее датчик времени, три элемента задержки, блок памяти, три сумматора, два блока деления, два блока умножения, блок нелинейности, интегратор, компаратор, мультивибратор (в заявленном изобретении заменен триггером), элемент памяти, ключ, схему ИЛИ и сдвиговый регистр. Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, т.к. единственными его выходными данными являются вычисленные значения периодов обслуживания средств системы.
Целью заявляемого технического решения является расширение функциональных и информативных возможностей устройства. Цель достигается путем введения в схему прототипа элементов, обеспечивающих формирование и выдачу в качестве выходных данных значений коэффициента готовности и времени работоспособного состояния каждого средства системы, соответствующих вычисленным значениям периодов технического обслуживания этих средств.
Процесс обслуживания имеет периодический характер. Длительность цикла обслуживания в общем случае может быть представлена в следующем виде:
где
τ - период обслуживания;
к
τ - средняя продолжительность контроля технического состояния;
п
τ - средняя продолжительность предупредительной профилактики;
в
τ - средняя продолжительность аварийно-восстановительных работ;
Р(τ) - вероятность безотказной работы средства на периоде τ.
Считаем, что фактическое состояние средства выявляется в плановые сеансы контроля. В связи с этим имеет место следующее соотношение:
где
ф
τ - среднее время работоспособного состояния;
о
τ- среднее время нахождения изделия в отказе.
Время работоспособного состояния средства на периоде обслуживания определяется так:
Организация эксплуатации средств предусматривает определение рациональных или оптимальных в некотором смысле сроков технического обслуживания, обеспечивающих требуемое качество функционирования этих средств.
Важным показателем качества функционирования является коэффициент готовности. Его значение может быть вычислено с помощью соотношения:
г
г
Анализ функции К(τ) показывает, что при τ→0 и при τ→∞, К(τ)→0. Существует период технического обслуживания, при котором коэффициент готовности достигает максимального значения . Задачу определения оптимального периода обслуживания средств запишем в следующем виде:
р
р
р
p
Рассмотренный подход целесообразно использовать применительно к отдельным, функционально обособленным средствам. Однако, наряду с такими средствами, широкое применение получили технические системы, включающие в себя множество различных по структуре, сложности и надежности средств. Каждому из этих средств будет соответствовать свой оптимальный период  технического обслуживания. Множество вычисленных значений , соответствующее множеству средств системы , могут образовать во времени такую совокупность циклов обслуживания, что практическая ее реализация окажется нерациональной либо невозможной. Поэтому возникает необходимость упорядочивания этой совокупности путем нахождения компромиссных, близких к оптимальным, значений периодов обслуживания для всех средств системы. Такой компромисс является отражением решающего правила, которое вводится неформально и определяет собой допустимое отклонение значений периодов обслуживания средств от оптимальных  значений. Конструктивным с точки зрения упорядочивания сроков обслуживания разнонадежных средств системы является кратность периодов их обслуживания. Различные средства системы(или группы средств) будут обслуживаться с различной периодичностью: {τ, 2τ, …mτ], где τ - расчетное (вычисленное) значение периода обслуживания наименее надежного средства; m - количество разнонадежных средств (групп средств) системы.
p
i
p
Начало каждого интервала времени kτ,  будет соответствовать началу цикла обслуживания одного или нескольких близких по надежности средств системы. Отдельное средство системы будет обслуживаться с периодом kτ, достаточно близким к .
i
i
р
Решающее правило определения периода обслуживания каждого средства заключается в том, чтобы обеспечивать кратность периодов обслуживания средств системы τ=kτ, и выполнять условие:
Соотношение (6) отражает общий подход к решению рассматриваемой задачи. Однако, имеет практическую значимость его частный вариант, используемый в заявленном изобретении, а именно
где  - оптимальный период технического обслуживания наименее надежного средства системы.
Это условие трансформируется в выбор некоторого допустимого значения коэффициента готовности , которое обеспечивает выполнение требования минимизации (7) и определяет границы допустимого значения  периода обслуживания средства. Значение  определяется, исходя из того, что коэффициент готовности каждого средства будет не менее некоторого допустимого значения, т.е. .
г
На фиг.1 в качестве примера показаны результаты численного эксперимента зависимости К(τ) для трех разнонадежных средств.
гi
i
конi
Из данного примера видно, что некоторое отклонение К от максимального  позволяет расширить область допустимых значений  периода обслуживания. Значение  можно определить как некоторую часть 0≤µ<1 от максимального значения, т.е. . При этом  не ограничивается только  оптимальным значением, а будет находиться в интервале , где ,  Это позволяет определить конкретные (вычисленные) значения периодов обслуживания  средств системы, обеспечивающие функционирование этих средств с максимально возможными коэффициентами готовности . Отметим, что предпочтительной для решения поставленной задачи является область значений периода τ, ограниченная оптимальным значением  и максимально допустимым τ, то есть . В этой области достигается требуемая готовность при большей периодичности обслуживания и, следовательно, при меньших затратах на техническое обслуживание. Поскольку периоды обслуживания отдельных средств находятся из условий кратности, то этим обеспечивается рациональное в организационном плане обслуживание средств системы в целом. Значения периодов обслуживания  позволяют вычислить соответствующие им значения времени работоспособного состояния  и коэффициента готовности  используя соотношения (3) и (4), то есть
Предложенная модель может быть реализована аппаратурно с помощью предлагаемого устройства, схема которого показана на фиг.2.
Устройство содержит блок памяти 1, в который поступают исходные данные, первый 2 и второй 17 блоки умножения, первый 3, второй 4 и третий 6 сумматоры, блок нелинейности 5, реализующий функцию P(t), датчик времени 7, вырабатывающий значение времени Δτ, первый 11, второй 12, третий 18 и четвертый 28 элементы задержки, компаратор 8, первый 9 и второй 16 блоки деления, интегратор 10, триггер 13 (эквивалент ждущего мультивибратора прототипа), ждущий мультивибратор 23, первый 15, второй 25, третий 26 и четвертый 27 ключи, сдвиговый регистр 19, обеспечивающий считывание исходных данных для каждой подсистемы, элемент памяти 14, схему ИЛИ 20, а также первый 21, второй 22 и третий 24 вентили (логические блоки И-НЕ).
i
Перед началом работы устройства исходная информация (значение входных величин): , λ, , , ,  заносятся в блок памяти 1 через его входы 2-7. Отметим, что блок памяти 1 разделен на n зон по возможному количеству сложной системы. Оптимальное значение  наименее надежного средства и  остальных средств этой системы могут быть получены, используя аналог [2].
Устройство работает следующим образом.
k1
в1
1
п1
в1
По сигналу «Пуск», поступающему с первого входа устройства, сдвиговый регистр 19 обнуляется. Этот же сигнал, задержанный первым элементом задержки 11, пройдя через схему ИЛИ 20, устанавливает единицу в первом разряде сдвигового регистра 19, также запускает датчик времени 7. По сигналу сдвигового регистра 19 считываются значения входных величин из блока памяти 1 на функциональные элементы устройства. Датчик времени 7 вырабатывает значение времени Δτ и передает на второй вход третьего сумматора 6, на первый вход которого с пятого выхода блока памяти 1 поступает оптимальное значение периода обслуживания  первой из исследуемых подсистем. Результат сложения  с выхода третьего сумматора 6 через открытый первый вентиль 21 передается непосредственно на вторые входы второго сумматора 4 и блока нелинейности 5, а через соединенные последовательно третий вентиль 24 и третий элемент задержки 18 в элемент памяти 14. При этом вентиль 24 находится в открытом состоянии. На первый вход второго сумматора 4 с четвертого выхода блока памяти 1 передается величина τ+τ, а с третьего выхода блока памяти 1 на первый вход блока нелинейности 5 поступает значение λ. В блоке нелинейности 5 формируется сигнал  и передается на первый вход интегратора 10 и на второй вход первого блока умножения 2. На первый вход первого блока умножения 2 со второго выхода блока памяти 1 поступает значение τ-τ. Сигнал, соответствующий величине  с выхода первого блока умножения 2 передается на первый вход первого сумматор 3. Значение  с выхода второго сумматора 4 поступает на второй вход первого сумматора 3, в результате на его выходе формируется сигнал, соответствующей сумме  и передается на первый вход первого блока деления 9. В то же время на второй вход блока деления 9 поступает сигнал
г
с выхода интегратора 10. В первом блоке деления 9 вычисляется значение коэффициента готовности в соответствии с (4) при  Полученное значение К(τ) с выхода блока деления 9 и через открытый второй вентиль 22 передается на второй вход компаратора 8, на первый вход которого с первого выхода блока памяти 1 поступает значение .
г1
г1
г1
1
г
В компараторе 8 сравниваются между собой его входные величины. Если окажется, что вычисленное значение  больше  то управляющий сигнал вырабатывается на первом выходе компонента 8 и передается в датчик времени 7, в результате чего выходной сигнал датчика времени 7 увеличивается на Δτ, он станет равным 2Δτ, и процесс вычисления значения K повторится, но при новом значении периода обслуживания, то есть  Цикл вычисления К будет повторяться с каждым m-м увеличением значения периода  до тех пор, пока будет сохраняться неравенство . Как только в компараторе 8 окажется, что вычисленное значение К меньше , на втором выходе компаратора 8 появится управляющий сигнал, который переведет триггер 13 в единичное состояние. Управляющий сигнал со второго выхода компаратора 8 запускает ждущий мультивибратор 23, который вырабатывает одиночный импульс, предает его на второй вход интегратора 10 и сбрасывает его значение в ноль. Выходной сигнал триггера 13 поступает на входы второго 12 и четвертого 28 элементов задержки, на второй вход элемента памяти 14 и на управляющие входы первого 21, второго 22, третьего 24 вентилей, первого 15 и второго 25 ключей. В результате этого вентили 21, 22, 24 закрываются, а ключи 15 и 25 открываются. С выхода элемента памяти 14 значение  через первый ключ 15 поступает на второй вход второго блока деления 16, на первый вход которого подается значение , с шестого выхода блока памяти 1. Сигнал  поступает также на первый вход второго блока умножения 17, а на второй его вход подается сигнал с выхода второго блока деления 16, сформированный в результате целочисленного деления τ на . Таким образом, в блоке 17 формируется искомое значение . Оно поступает на первый выход устройства не непосредственно, а через второй ключ 25 на вторые входы второго сумматора 4 и блока нелинейности 5. В результате этого во втором сумматоре 4 формируется и передается на второй вход первого сумматора 3 сигнал, соответствующий сумме . В блоке нелинейности 5 формируется значение  и передается в интегратор 10 и на второй вход первого блока умножения 2. Сигнал, соответствующий величине  с выхода этого блока умножения 2 передается на первый вход первого сумматора 3. Сигнал, соответствующий результату сложения  с выхода первого сумматора 3 передается на второй вход первого блока деления 9, на первый вход которого с выхода интегратора 10 приходит сигнал . В первом блоке деления 9 формируется сигнал, соответствующий вычисленному значению коэффициента готовности  К этому времени выходной сигнал четвертого элемента задержки 28 поступает на управляющие входы третьего 26 и четвертого 27 ключей и открывает их, в результате чего вычисленные значения  и  поступают соответственно на второй и третий выходы устройства. Управляющий сигнал с выхода второго элемента задержки 12 поступает на второй вход триггера 13, переводя его в нулевое состояние, на второй вход датчика времени 7, сбрасывая его в состояние, соответствующее нулевому значению величины Δτ. В результате перевода триггера 13 в нулевое состояние открываются вентили 21, 22, 24, а ключи 15, 25, 26, 27 закрываются. Кроме того, выходной сигнал второго элемента задержки 12 через схему ИЛИ 20 одновременно запускает датчик времени 7 и переводит выходной сигнал сдвигового регистра 19 на один шаг, что обеспечивает считывание исходных данных из блока памяти 1 для второго средства системы, и работа устройства повторяется, но уже с новыми значениями входных величин. Так будет происходить определение , , К для всех средств системы. После вычисления значений этих величин, соответствующих последнему средству исследуемой системы, работа устройства заканчивается.
Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в определении оптимальных периодов технического обслуживания и показателей качества функционирования средств систем. Практическая реализация предложенного решения является более рациональной с точки зрения организации технического обслуживания систем и использования надежностных ресурсов средств, составляющих эти системы.
Источники информации
1. Гришин В.Д., Тимофеев А.Н., Жиряков А.А. Патент РФ №2071118, МПК G07C 3/08.
2. Гришин В.Д., Мануйлов Ю.С., Щенев А.Н. Патент РФ №2228541, МПК G07C 3/08, 2004.
3. Гришин В.Д., Воробьев Г.Н., Мышинский Д.А. Патент РФ 2279712, МПК G07C 3/08, G06F 17/00, 2006.
4. Воробьев Г.Н., Гришин В.Д., Тимофеев А.Н. А.с. СССР №1679512, МПК G07C 3/08, 1991.
5. Гришин В.Д., Павлов А.Н., Саранчуков А.Ю. Патент РФ 2310913, МПК G07C 3/08, 2007.
6. Гришин В.Д., Москвин Б.В., Колонтай С.С. Патент №2342706, МПК G07C 3/08, G06F 17/00, 2007.