Устройство для определения оптимальной программы технического обслуживания системы

Изобретение относится к вычислительной технике. Оно может быть использовано в научных исследованиях и технике, где требуется определять оптимальную временную программу обслуживания технических средств, совокупность которых составляет единый комплекс или систему. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и области применения. Он достигается тем, что устройство содержит блок памяти, два блока умножения, три сумматора, два блока деления, вычитатель, блок нелинейности, датчик времени, блок сравнения, интегратор, три элемента задержки, схему ИЛИ, ждущий мультивибратор, элемент памяти, ключ, сдвиговый регистр. Оно отличается от прототипа наличием сдвигового регистра, второго блока деления, второго блока умножения и ряда новых межблочных связей. 3 ил.

 

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;

τ_к - средняя продолжительность контроля состояния;

τ_п - средняя продолжительность предупредительной профилактики;

τ_в - 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 τ_ф - среднее время работоспособного состояния;

τ_о - 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:

Анализ функции К_п(τ) (фиг.1) показывает, что существует период технического обслуживания, при котором коэффициент простоя достигает минимального значения

К_п*. Задачу определения оптимального периода обслуживания средств запишем в следующем виде:

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*_i технического обслуживания. Множество вычисленных значений τ*_i, 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*_i 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:

{τ_р, 2τ_p, … mτ_p},

где τ_р - расчетное время периода обслуживания наименее надежного средства;

m - количество разнонадежных средств (групп средств) комплекса.

Начало каждого интервала времени kτ_p, k=1,m, будет соответствовать началу цикла обслуживания одного или нескольких близких по надежности средств комплекса. Отдельное средство комплекса S_i будет обслуживаться с периодом k_iτ_p достаточно близким к τ*_i.

Решающее правило заключается в том, чтобы обеспечивалась кратность периодов обслуживания средств комплекса τ_i=k_iτ_p 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.

Это условие трансформируется в выбор некоторого допустимого значения коэффициента простоя К_пi ^д которое обеспечивает выполнение требования минимизации (7) и определяет границы допустимого значения τ^д _i периода обслуживания средства. Значение τ^д _i определяется исходя из того, что коэффициент простоя каждого средства будет равен некоторому допустимому значению, то есть К_пi=К_пi ^д.

На фиг.1 в качестве примера показаны результаты исследования зависимости К_п(τ) для трех разнонадежных средств и дана графическая интерпретация результатов реализации соотношения (7).

Некоторое отклонение K_пi от минимального K_пi ^* позволяет расширить область допустимых значений τ^д _i периода обслуживания. Значение К_пi ^д можно определить как некоторую часть 0<µ≤1 от минимального значения, то есть К_пi ^д=µК_пi ^*. При этом τ^д _i не ограничивается только τ^* _i оптимальным значением, а будет находиться в интервале т^д _нi<τ^д _i<τ^д _кон.i, где τ^д _нi=τ*_i-Δτ_li, τ^д _кон.i=τ^* _i+Δτ_2i (фиг.1). Это позволяет определить конкретные (вычислительные) значения периодов обслуживания τ^выч _i=τ_i средств комплекса, обеспечивающие функционирование этих средств с минимально возможными коэффициентами простоя K_пi ^выч≤K_пi ^д.

Отметим, что предпочтительной для решения поставленной задачи является область значений периода τ_i, ограниченная оптимальным значением τ^* _i и максимально допустимым τ^д _кон.i, то есть τ^* _i<τ_i≤τ^д _кон.i. 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.

Перед началом работы устройства в блок памяти 1 заносятся значения исходных величин: К_пi ^д, λ_i, τ_пi-τ_вi, τ_кi+τ_вi, τ*_i, τ^* _min, где τ^* _min - оптимальный период обслуживания наименее надежного средства комплекса, a τ^* _i - 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.

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^* ₁ первой из исследуемых подсистем. Результат сложения τ^* ₁+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_к1+τ_в1, а с третьего выхода блока памяти 1 на первый вход блока нелинейности 5 поступает значение λ₁. В блоке нелинейности 5 формируется сигнал P(τ^* _i+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_п1-Т_в1. Сигнал, соответствующий величине P(τ^* _i+Δτ)(τ_пi-τ_в1), с выхода первого блока умножения 2 передается на первый вход первого сумматора 3. Значение

(τ^* _i+Δτ)+(τ_k1+τ_в1) 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_ц=Р(τ^* ₁+Δτ)(τ_п1-τ_в1)+(τ^* ₁+Δτ)+(τ_к1+τ_в1), 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:

Сигнал τ_прост.1 из вычитателя передается в первый блок деления 9, где вычисляется значение коэффициента простоя K_п1 в соответствии с (4) и передается на второй вход компаратора 8, на первый вход которого с первого выхода блока памяти 1 поступает значение К_п1 ^д. В компараторе 8 сравниваются между собой входные величины. Если окажется, что вычисленное значение К_п1(τ^* ₁+Δτ)≤К_п1 ^д, 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_п1 повторится, но при новом значении периода обслуживания, то есть τ₁=τ^* ₁+2Δτ. Цикл вычисления К_п1 будет повторяться с каждым m-ным увеличением значения периода τ₁=τ₁ ^*+mΔτ до тех пор, пока будет сохраняться неравенство К_п1≤К_п1 ^д. Как только в компараторе 8 окажется, что вычисленное значение К_п1>К_п1 ^д, 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_i=τ₁ ^*+(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^* _min. Во втором блоке деления 16 формируется сигнал как результат целочисленного деления N=τ₁/τ^* _min и передается во второй блок умножения 17, где вычисляется искомая величина τ^выч ₁=Nτ^* _min 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.

После вычисления τ^выч _i, 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.

Устройство для определения оптимальной временной программы технического обслуживания системы, содержащее три элемента задержки, схему ИЛИ, датчик времени, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, блок памяти, четвертый вход которого является четвертым входом устройства, а третий выход, предназначенный для вывода заданных значений периодов обслуживания средств системы, подключен к первому входу блока нелинейности, выход которого соединен с информационным входом интегратора и со вторым входом первого блока умножения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого соединен с первым входом вычитателя, выход которого подключен к первому входу первого блока деления, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения, второй выход которого через мультивибратор соединен с управляющим входом элемента памяти и разрешающим входом ключа, информационный вход которого подключен к выходу элемента памяти, отличающееся тем, что в него введены второй блок деления, второй блок умножения и сдвиговый регистр, первый вход которого является первым входом устройства и соединен через первый элемент задержки с первым входом схемы ИЛИ, второй вход подключен к выходу схемы ИЛИ и ко второму входу датчика времени, а каждый из n выходов соединен индивидуально с соответствующим управляющим входом ln блока памяти, второй, третий, пятый, шестой и седьмой входы которого являются соответствующими информационными входами устройства, а первый выход, предназначенный для вывода заданных допустимых значений коэффициентов простоя средств системы, подключен к первому входу блока сравнения, первый выход которого соединен с третьим входом датчика времени, первый вход которого связан со вторым входом схемы ИЛИ непосредственно, а через второй элемент задержки соединен с выходом мультивибратора и управляющим входом интегратора, выход которого подключен ко второму входу вычитателя, первый вход которого соединен со вторым входом первого блока деления, второй выход блока памяти, предназначенный для вывода заданных значений разности средней продолжительности предупредительной профилактики и средней продолжительности аварийно-восстановительных работ, подключен к первому входу первого блока умножения, четвертый выход блока памяти, предназначенный для вывода заданных значений суммы средней продолжительности контроля состояния и средней продолжительности аварийно-восстановительных работ, соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а второй вход связан непосредственно со вторым входом блока нелинейности, а через третий элемент задержки - с информационным входом элемента памяти, пятый выход блока памяти, предназначенный для вывода заданных оптимальных значений периодов обслуживания исследуемых средств системы, подключен к первому входу третьего сумматора, шестой выход блока памяти, предназначенный для вывода оптимального значения периода обслуживания наименее надежного средства системы, подключен к первым входам второго блока умножения и второго блока деления, второй вход которого соединен с выходом ключа, а выход - со вторым входом второго блока умножения, выход которого является выходом устройства.