УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СИСТЕМЫ
DEVICE FOR DETERMINING OPTIMUM PROGRAM FOR TECHNICAL SERVICING SYSTEM

Изобретение относится к моделирующим устройствам (может относиться к устройствам контроля). Оно может быть использовано в научных исследованиях и практике эксплуатации для определения оптимальных сроков обслуживания средств технических комплексов и систем.
Существует ряд работ, в том числе [1, 2, 3], в которых рассматриваются различные стратегии технического обслуживания изделий и систем. Предложенные в них подходы не доведены до алгоритмов и устройств, обеспечивающих их практическое применение без соответствующих доработок.
Известно устройство [4], предназначенное для определения оптимального по критерию минимума коэффициента простоя периода технического обслуживания изделия. Его недостатком является узкая область применения, ограниченная изделиями, не входящими непосредственно в состав сложной системы. Кроме того, оно ориентированно на изделия с мгновенным проявлением отказов при их возникновении.
Известны также устройства [5, 6], обеспечивающие определение оптимального периода обслуживания сложной системы, реализуя минимаксный критерий. При этом все подсистемы, входящие в сложную систему, должны обслуживаться с одинаковой периодичностью, соответствующей оптимальному периоду самой ненадежной подсистемы. Эти устройства целесообразно использовать для систем, подсистемы которых близки по надежности. Если же подсистемы существенно различаются по надежности, то обслуживание их с одинаковой периодичностью, вычисленной устройствами [5, 6], не позволит рационально использовать надежностный потенциал остальных, более надежных систем.
В завершение отметим, что в данных устройствах за показатель качества функционирования системы принят коэффициент готовности. Они не обеспечивают определение оптимальных сроков обслуживания при использовании других показателей, в том числе коэффициента простоя. Таким образом, можно заключить, что устройства [5, 6] обладают ограниченной областью применения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство [7], содержащее пять сумматоров, блок перемножения, блок нелинейности, четыре элемента памяти, интегратор, два таймера, блок деления, три элемента задержки, два триггера, элемент ИЛИ, два компаратора и три ключа.
Недостатками устройства являются ограниченные функциональные возможности и область применения, так как оно ориентированно на обособленные изделия, непосредственно не входящие в сложную систему, и не предназначено для определения временных программ обслуживания.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей и области применения устройства. Цель достигается путем реализации математической модели, позволяющей определять временную программу обслуживания системы, обеспечивающую оптимальную периодичность обслуживания каждой из подсистем и системы в целом.
Система, как известно, включает в себя совокупность средств (элементов), находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Примером технической системы является система управления воздушным движением. Ее функциональными элементами являются: радиотехнический комплекс, аппаратура передачи данных, иформационно-вычислительный комплекс, комплекс средств отображения информации и другие. Количественные показатели надежности и ремонтопригодности средств системы различны, поэтому и оптимальные сроки их обслуживания разные. Определение оптимальных программ подобных систем является актуальной задачей.
Процесс обслуживания технических средств имеет циклический характер. Средняя продолжительность цикла обслуживания каждого средства системы выражается следующим соотношением:
где τ - период обслуживания;
к
τ - средняя продолжительность контроля 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:
ф
где τ - среднее время работоспособного состояния;
о
τ - среднее время нахождения средства в отказе на периоде τ.
Время работоспособного состояния средства на периоде обслуживания определяется так:
При экспонентециальном законе распределения времени возникновение отказов справедливо следующее соотношение:
Р(τ)=ехр{-λτ},
где λ - интенсивность отказов средства.
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 простоя. Его значение может быть вычислено с помощью соотношения:
п
Анализ функции К(τ) (фиг.1) показывает, что существует период технического обслуживания, при котором коэффициент простоя достигает минимального значения
п
К*. Задачу определения оптимального периода обслуживания средств запишем в следующем виде:
i
i
i
Рассмотренный подход целесообразно использовать применительно к отдельным, функционально обособленным средствам. Однако наряду с такими средствами широкое применение получили технические комплексы, включающие в себя множество различных по структуре, сложности и надежности средств. Каждому из этих средств будет соответствовать свой оптимальный период τ* технического обслуживания. Множество вычисленных значений τ*, соответствующее множеству средств комплекса i=1,n, могут образовать во времени такую совокупность циклов обслуживания, что практическая ее реализация окажется нерациональной либо невозможной. Поэтому возникает необходимость упорядочить эту совокупность путем нахождения компромиссных, близких к оптимальным, значений периодов обслуживания для всех средств комплекса. Такой компромисс является отражением решающего правила, которое вводится неформально и определяет собой допустимое отклонение значений периодов обслуживания средств от оптимальных τ*значений. Конструктивным с точки зрения упорядочения сроков обслуживания разнонадежных средств комплекса является кратность периодов их обслуживания. Различные средства комплекса (или группы средств) будут обслуживаться с различной периодичностью:
р
p
p
{τ, 2τ, … mτ},
р
где τ - расчетное время периода обслуживания наименее надежного средства;
m - количество разнонадежных средств (групп средств) комплекса.
p
i
i
p
i
Начало каждого интервала времени kτ, k=1,m, будет соответствовать началу цикла обслуживания одного или нескольких близких по надежности средств комплекса. Отдельное средство комплекса S будет обслуживаться с периодом kτ достаточно близким к τ*.
i
i
p
Решающее правило заключается в том, чтобы обеспечивалась кратность периодов обслуживания средств комплекса τ=kτ и выполнялось 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.
пi
i
i
пi
пi
д
д
д
д
Это условие трансформируется в выбор некоторого допустимого значения коэффициента простоя К  которое обеспечивает выполнение требования минимизации (7) и определяет границы допустимого значения τ  периода обслуживания средства. Значение τ  определяется исходя из того, что коэффициент простоя каждого средства будет равен некоторому допустимому значению, то есть К=К .
п
На фиг.1 в качестве примера показаны результаты исследования зависимости К(τ) для трех разнонадежных средств и дана графическая интерпретация результатов реализации соотношения (7).
пi
пi
i
пi
пi
пi
i
i
нi
i
кон.i
нi
i
li
кон.i
i
2i
i
i
пi
пi
*
д
д
д
*
д
*
д
д
д
д
д
*
выч
выч
д
Некоторое отклонение K от минимального K  позволяет расширить область допустимых значений τ  периода обслуживания. Значение К  можно определить как некоторую часть 0<µ≤1 от минимального значения, то есть К =µК . При этом τ  не ограничивается только τ  оптимальным значением, а будет находиться в интервале т <τ <τ , где τ =τ*-Δτ, τ =τ +Δτ (фиг.1). Это позволяет определить конкретные (вычислительные) значения периодов обслуживания τ =τ средств комплекса, обеспечивающие функционирование этих средств с минимально возможными коэффициентами простоя K ≤K .
i
i
кон.i
i
i
кон.i
*
д
*
д
Отметим, что предпочтительной для решения поставленной задачи является область значений периода τ, ограниченная оптимальным значением τ  и максимально допустимым τ , то есть τ <τ≤τ . Поскольку периоды обслуживания отдельных средств находятся из условия их кратности, то этим обеспечивается рациональное в организационном плане обслуживание комплекса средств в целом.
Результаты решения поставленной задачи применительно к рассмотренному примеру (система состоит из трех средств) можно представить в виде временных графиков обслуживания средств системы, представленных на фиг.3,
где Т - периодичность обслуживания системы в целом.
Из приведенных на фиг.3 графиков видно, что периодичность обслуживания различных средств системы разная, при этом
,
Повторим, что  - оптимальный период наименее надежного средства системы.
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. Устройство также содержит первый 18, второй 12 и третий 11 элементы задержки, блок сравнения 8, первый 9 и второй 16 блоки деления, ждущий мультивибратор 13, схему ИЛИ 20, элемент памяти 14, интегратор 10, ключ 15, сдвиговый регистр 19, обеспечивающий считывание исходных данных для каждой подсистемы, и вычитатель 21. Отметим, что в составе заявленного устройства блок памяти 1, датчик времени 7, блок сравнения 8, ждущий мультивибратор 13, вычитатель 21 эквивалентны аналогичным блокам прототипа, а именно: элементу памяти, таймеру, компаратору, триггеру, сумматору, что учтено в формуле изобретения.
пi
i
пi
вi
кi
вi
i
min
min
i
д
*
*
*
Перед началом работы устройства в блок памяти 1 заносятся значения исходных величин: К , λ, τ-τ, τ+τ, τ*, τ , где τ  - оптимальный период обслуживания наименее надежного средства комплекса, a τ  - аналогичные величины остальных средств этого комплекса. Отметим, что блок памяти 1 разделен на n зон по возможному количеству подсистем средств сложной системы комплекса.
Устройство работает следующим образом.
*
*
*
*
1
1
к1
в1
1
i
п1
в1
i
пi
в1
По сигналу «Пуск», поступающему с первого входа устройства, сдвиговый регистр 19 обнуляется. Этот же сигнал, задержанный первым элементом задержки 18, пройдя через схему ИЛИ 20, устанавливает единицу в первом разряде сдвигового регистра 19, а 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 его на второй вход третьего сумматора 6, на первый вход которого с пятого выхода блока памяти 1 поступает оптимальное значение периода обслуживания τ  первой из исследуемых подсистем. Результат сложения τ +Δτ с выхода третьего сумматора 6 передается на вторые входы второго сумматора 4 и блока нелинейности 5, а также через элемент задержки 11 в элемент памяти 14. На первый вход второго сумматора 4 с четвертого выхода бока 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 P(τ +Δτ), который 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-Т. Сигнал, соответствующий величине P(τ +Δτ)(τ-τ), с выхода первого блока умножения 2 передается на первый вход первого сумматора 3. Значение
*
*
*
i
k1
в1
ц
1
п1
в1
1
к1
в1
(τ +Δτ)+(τ+τ) с выхода второго сумматора 4 поступает на второй вход первого сумматора 3, в результате на его выходе формируется сигнал, соответствующий согласно (1) длительности цикла обслуживания τ=Р(τ +Δτ)(τ-τ)+(τ +Δτ)+(τ+τ), и передается на второй вход первого блока деления 9 и на первый вход вычитателя 21. В то же время в интеграторе 10 вычисляется значение времени:
и предается на второй вход вычитателя 21.
В вычитателе 21 формируется сигнал, соответствующий времени простоя средства. Его значение с учетом (2) выражается так:
прост.1
п1
п1
п1
1
п1
п1
1
1
п1
1
1
п1
п1
п1
п1
i
1
min
1
min
1
min
д
*
д
*
*
д
д
*
*
*
выч
*
Сигнал τ из вычитателя передается в первый блок деления 9, где вычисляется значение коэффициента простоя K в соответствии с (4) и передается на второй вход компаратора 8, на первый вход которого с первого выхода блока памяти 1 поступает значение К . В компараторе 8 сравниваются между собой входные величины. Если окажется, что вычисленное значение К(τ +Δτ)≤К , то управляющий сигнал вырабатывается на первом выходе компаратора 8 и передается в датчик времени 7, в результате чего выходной сигнал датчика времени 7 увеличится на Δτ, то есть он станет равным 2Δτ, и процесс вычисления значения K повторится, но при новом значении периода обслуживания, то есть τ=τ +2Δτ. Цикл вычисления К будет повторяться с каждым m-ным увеличением значения периода τ=τ +mΔτ до тех пор, пока будет сохраняться неравенство К≤К . Как только в компараторе 8 окажется, что вычисленное значение К>К , на втором выходе компаратора 8 появится управляющий сигнал, который запустит ждущий мультивибратор 13. Управляющий сигнал, с выхода мультивибратора 13, поступает на второй вход интегратора 10 и сбрасывает его значение в ноль, открывает ключ 15 и поступает на второй вход элемента памяти 14. По этому сигналу вычисленное значение периода обслуживания, задержанное элементом 11 на один цикл вычисления τ=τ +(m-1)Δτ, с выхода элемента памяти 14 через ключ 15 поступает на второй вход второго блока деления 16. На первые входы второго блока деления 16 и второго блока умножения 17 с шестого выхода блока памяти 1 поступает сигнал, соответствующий значению τ . Во втором блоке деления 16 формируется сигнал как результат целочисленного деления N=τ/τ  и передается во второй блок умножения 17, где вычисляется искомая величина τ =Nτ  и передается на выход устройства. В то же время управляющий сигнал с выхода мультивибратора 13 через второй элемент задержки 12 поступает непосредственно на второй вход датчика времени 7, устанавливая его в нулевое состояние. Кроме того, выходной сигнал второго элемента задержки 12 через схему ИЛИ 20 запускает датчик времени 7 и переводит выходной сигнал сдвигового регистра 19 на один шаг, что обеспечивает считывание исходных данных из блока памяти 1 для второй подсистемы, и работа устройства повторяется, но уже с новыми значениями входных величин.
выч
i
После вычисления τ , соответствующего последней подсистеме исследуемой системы, работа устройства заканчивается.
Положительный эффект, который дает предлагаемое техническое решение, состоит в том, что устройство позволяет на основе принципа кратности определить периоды технического обслуживания подсистем сложной системы. Практическая реализация предложенного решения является более рациональной с точки зрения расходования материального и временного ресурсов, организации технического обслуживания системы и использования надежностных ресурсов подсистем.
Источники информации
1. Дружинин Г.В. Процессы технического обслуживания автоматизированных систем. - М.: Энергия, 1973.
2. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. - М.: Высшая школа, 1982.
3. Абраменко Б.С., Маслов А.Я., Немудрук Л.Н. Эксплуатация автоматизированных систем управления. МО СССР, 1984.
4. Воробьев Г.Н., Гришин В.Д., Денченков В.А. А.С. СССР №1320825, М. Кл. 4 G07C 3/08, 1987.
5. Воробьев Г.Н., Гришин В.Д., Марков Д.И. А.С. СССР №1437888, М. Кл. 4 G07C 3/02, 1988.
6. Воробьев Г.Н., Гришин В.Д., Тимофеев А.Н. А.С. СССР №1679512, М. Кл. 5 G07C 3/02, 1991.
7. Гришин В.Д., Мануйлов Ю.С., Щенев А.Н. Патент РФ №2206123, М. Кл. 7 G07C 3/08, 2003.