RU2252453C1

RU2252453C1 - Способ моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры и информационная система для его реализации

Info

Publication number: RU2252453C1
Application number: RU2004124501/28A
Authority: RU
Inventors: Д.П. Смирнов (RU); Д.П. Смирнов
Original assignee: Смирнов Дмитрий Петрович
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2005-05-20
Also published as: WO2006019335A1

Abstract

Изобретение относится к области информатики и вычислительной техники. Все связи между всеми элементами принципиальной схемы сложной технологической структуры (СТС) разделяют на основные и резервные и задают произвольную комбинацию повреждений элементов СТС. Определяют значение показателя аварийности состояния связей между элементами СТС. В случае неравенства указанного показателя нулевому значению восстанавливают работоспособность СТС, изменяя ее замещением поврежденных связей резервными посредством активных действий оператора. Определяют значение показателя восстановления работоспособности СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС. Система обеспечивает получение оперативной информации оператором о действиях по восстановлению работоспособности СТС, основанных на использовании имеющегося резерва внутренних возможностей СТС, выработку прогноза состояния СТС и рекомендаций по улучшению функционирования измененной СТС. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Предлагаемый способ относится к области информатики и вычислительной техники и может быть использован для моделирования поведения сложных технологических объектов в аварийных ситуациях, а также диагностики и прогнозирования поведения элементов, частей и этих объектов в целом при осуществлении действий, направленных на восстановление их работоспособности в различных отраслях промышленности и областях человеческой деятельности.

Постоянной тенденцией, обусловленной научно-техническим прогрессом, является усложнение и укрупнение технологических структур в любых областях промышленности, что требует постоянного совершенствования человеко-машинных систем управления этими структурами. Как правило, такие системы включают несколько подсистем, на верхнем уровне структуры которых принятие решений осуществляется человеком-оператором. Эти системы достаточно качественно обеспечивают функционирование технологических структур в нормальных режимах работы. Согласование и координация взаимодействия подсистем осуществляется путем обмена информацией между операторами и, в необходимом объеме, автоматическими системами. Однако в нештатных (предаварийных) ситуациях координация взаимодействия подсистем значительно усложняется, так как на практике часть ранее принимаемых несущественными процессов взаимодействия элементов технологических структур выдвигаются на первый план. В этих случаях, по данным статистики, каждое третье действие операторов только усугубляло предаварийные ситуации. Причинами такого положения являются дефицит времени на принятие решения оператором и дефицит информации, обусловленный сложностью нештатных процессов и связей между элементами сложной технологической структуры. Таким образом, автоматизация выработки решений по устранению аварийных ситуаций в помощь оператору при управлении сложной технологической структурой является весьма актуальной задачей.

Известен способ диагностирования преддефектного состояния технического объекта, позволяющий определить техническое состояние объекта по анализу сигналов, соответствующих признаку, обладающему максимальной диагностической ценностью среди выбранных признаков состояния объекта (см. а.с. СССР №1596348, кл. G 06 F 15/46, 1988).

Недостатком данного способа является возможность определения ложного класса состояний объекта из-за отсутствия учета взаимовлияния между признаками с максимальной диагностической ценностью и другими признаками состояний с возможно близкими значениями диагностических ценностей.

Известен способ диагностирования преддефектного состояния технического объекта, состоящий в том, что для выделенной группы состояний объекта определяют показатель интенсивности связи - эмпирическое корреляционное отношение между значениями сигнала признака с максимальной диагностической ценностью и значениями сигналов остальных признаков состояния. Для каждого класса выбранной группы определяют среднее значение эмпирического корреляционного отношения (см. патент РФ №2050577, кл. G 05 В 23/02, 1992).

Недостатками способа являются необходимость многократного измерения сигналов для всех признаков состояний выбранной группы и соответственно сравнительный анализ оператором полученных данных.

Известны способ и система для выдачи рекомендаций по выбору на основе предпочтений в многопользовательской системе (патент США №5583763, кл. G 06 F 17/60, 1996). Способ реализован в компьютерной системе, содержащей процессор, базу данных предпочтений, устройство ввода и устройство вывода. База данных содержит множество записей, каждая из которых определяет предпочтения конкретного пользователя. По сигналу управления устройство ввода генерирует входную запись с предпочтениями определенного пользователя. Далее процессор осуществляет поиск в базе данных с целью обнаружения предпочтений, совпадающих с предпочтениями, содержащимися во входной записи, формирует счетчик совпадений, идентифицирует несовпадающие предпочтения, присваивает несовпадающим предпочтениям весовые коэффициенты, выбранные в обратной зависимости от их частоты появления в базе данных, сортировку несовпадающих предпочтений по весовым коэффициентам и выбор рекомендаций по предпочтениям из несовпадающих предпочтений. Затем устройство вывода генерирует соответствующее сообщение оператору.

Недостатком указанных изобретений в первую очередь можно отнести узкую постановку задачи и узкую область применения, что обусловлено ограниченностью используемой модели, применяемой для выработки рекомендаций.

Известен способ оказания помощи пользователям в процессе принятия решений (патент США №5717865, кл. G 06 F 19/00, 1998), включающий выбор множества вариантов решения проблемы, из которых необходимо выбрать единственный вариант; выбор компонентов решения, касающихся выбора варианта; присваивание компонентам решения пользовательской оценки, которая характеризует относительную значимость компонента для выбора варианта; присваивание компонентам решения ожидаемой оценки удовлетворения требований и присваивание этим компонентам оценки достоверности, которая характеризует степень достоверности информации, используемой для определения оценки удовлетворения требованиям.

Однако рекомендации не учитывают характер (тип) решаемых проблем, игнорируют противоречивые условия выбора и его многокритериальный характер.

Известна автоматизированная система для принятия решений, используемая в процессе принятия решений (патент США №5732397, кл. G 06 F 17/60, 1998), которая содержит устройство обработки данных, устройство памяти, устройство ввода-вывода для ввода данных в процессор из устройства памяти и вывода обработанных данных в устройство памяти из процессора. Устройство памяти состоит из разделов, в каждом из которых записаны выбранные элементы декларативных справочных знаний, предназначенные для конкретного процесса принятия решений. При выполнении первой операции принятия решений выбранные элементы данных, полученные из устройства ввода, сравниваются с хранимыми в устройстве памяти элементами знаний, и выявляются входные данные, не соответствующие элементам знаний. При этом определяются тип и степень несоответствия. Затем дополнительные данные из устройства ввода, сравниваются с дополнительными элементами знаний и на основе результата сравнения выполняется вторая операция принятия решений.

Недостатком данной системы является узкая область применения, что обусловлено ограниченностью используемых в ней декларативных знаний, применяемых при принятии решений.

Известны способ компьютерной выработки наилучших вариантов решений из их заданного множества для проблем, подлежащих решению, и система для его реализации (патент РФ №2216043, кл. G 06 F 1/00, 2000). Способ основан на том, что задают тип проблемы, подлежащей решению, под которым понимают класс задач, хранящийся в перечне проблем из базы данных, включающей как широкий класс задач, например, такие как достижение успеха, степень риска и степень безопасности при решении какой-нибудь проблемы, так и проблемы, относящейся к решению конкретных задач, например оценка показателей успеха предпринимательской или производственной деятельности. Для расчета критериальных показателей система использует аппроксимационные модели, такие, например, как модель безопасности или риска и успеха. На экране устройства визуализации системы получают таблицу, один из столбцов которой заполнен списком параметров, общее количество столбцов при этом зависит от количества анализируемых пользователем вариантов.

Недостатками способа и реализующей его системы являются необходимость использования множества приблизительных аппроксимационных моделей, неточно отражающих состояние и поведение реального объекта, а также сравнительного анализа оператором полученных данных, что требует дополнительного времени.

Наиболее близкими техническими решениями к предлагаемым являются способ для инициализации моделирования поведения технической установки и система моделирования для технической установки (патент РФ №2213372, кл. G 06 F 1/00, публ. 1998). Способ учитывает реальное поведение технического объекта, содержащего множество компонентов и включает определение схемотехнических характеристик элементов технологической структуры и установление их взаимосвязи. Система, реализующая способ, содержит устройство ввода-вывода и визуализации информации в виде терминала с экраном, клавиатурой и мышью, вычислительное устройство и устройство хранения информации.

Недостатками известных технических решений является узкая постановка задачи и области использования процесса моделирования, невозможность использования решений для моделирования работы объекта в предаварийных и аварийных режимах и соответственно проработки действий по восстановлению работоспособности и прогнозу состояния объекта, низкая оперативность получения информации о работоспособности объекта в случае включения или выключения различных элементов объекта и связей между ними.

Техническим результатом предлагаемых изобретений является устранение или существенное уменьшение указанных выше недостатков, в том числе, расширение функциональных возможностей технических решений с обеспечением моделирования работы сложной технологической структуры (СТС) в предаварийных и аварийных режимах, обеспечение получения оперативной информации оператором о действиях по восстановлению работоспособности СТС, основанных на использовании имеющегося резерва внутренних возможностей самой СТС, выработка прогноза состояния СТС в этом случае и рекомендаций по дальнейшему улучшению функционирования измененной СТС.

Достижение указанного технического результата в известном способе моделирования, включающем определение схемотехнических характеристик элементов сложной технологической структуры (СТС) и установление их взаимосвязи, обеспечивается тем, что разделяют все связи между всеми элементами принципиальной схемы СТС на основные и резервные, задают произвольную комбинацию повреждений элементов СТС, определяют значение показателя аварийности состояния связей между элементами СТС, в случае неравенства этого показателя нулевому значению восстанавливают работоспособность СТС, изменяя ее замещением поврежденных связей резервными посредством активных действий оператора из числа критических действий, определяют значение показателя восстановления работоспособности СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС.

Кроме того, разделение элементов принципиальной схемы СТС могут производить построением цветной граф-модели, в которой элементы СТС обозначают вершинами графа, связи между элементами - дугами графа, вид связи по энергии, веществу или информации - цветом дуг, а элементы-источники видов связи - петлями при соответствующих вершинах.

Кроме того, для реализации на компьютере цветную граф-модель представляют в виде, по меньшей мере, двух матриц связности элементов СТС, номера строк и столбцов которых соответствуют номерам вершин граф-модели, ячейки - индексам дуг граф-модели, представляющим собой двухразрядные числа, разряд десятков которых индексирует вид связи - цвет, а разряд единиц - приоритет перевода элемента из резервного в основной, причем в первой матрице отображают основные связи, а во второй - резервные.

Кроме того, в качестве показателя аварийности состояния связей между элементами СТС используют вектор аварии R [8], который определяют следующим образом:

где r_i - признак состояния связи, а именно, r_i=1 - i-ая связь не уничтожена поражающими факторами от аварии, r_i=0 - уничтожена;

m - количество связей, в котором порядковые номера 1≤i≤m’ относятся к основным связям, а – m’+1≤i≤m относятся к резервным связям.

Кроме того, каждой дуге присваивают порядковый номер связи, а формирование, по меньшей мере, одного вектора аварии R осуществляют внесением в его содержание номеров всех дуг граф-модели, выходящих из, по меньшей мере, одной ее вершины, обозначающей, по меньшей мере, один поврежденный элемент СТС в соответствии с выражением

где k - номер дуги граф-модели.

Кроме того, замещение поврежденных элементов и связей СТС резервными начинают в случае неравенства величины вектора аварии нулевому значению поиском и последующим переводом в первую матрицу резервного элемента в той же строке второй матрицы, что и поврежденный элемент в первой матрице, с таким же цветом - видом связи и приоритетом перевода элемента из резерва в функционирующую систему, превышающим, по меньшей мере, на единицу приоритет поврежденного элемента из первой матрицы, а заканчивают выдачей оператору текстового сообщения о его действиях по восстановлению работоспособности СТС, заранее поставленного в соответствие каждому переводу элемента из второй матрицы в первую.

Кроме того, в качестве показателя восстановления работоспособности СТС определяют степень загруженности элементов измененной СТС для чего предварительно задают для каждой связи ее пропускную способность, а после изменения СТС суммируют для каждого элемента по строке матрицы основных связей все входящие потоки по каждому виду связи, а по столбцу - исходящие и при превышении исходящего потока по любому виду связи над входящим определяют степень перегрузки элемента, о чем формируют текстовое сообщение оператору.

Кроме того, для обеспечения выработки прогноза состояния измененной СТС предварительно формируют базу данных общего состояния СТС с текстовой информацией в зависимости от загруженности каждого ее элемента и/или их комбинации, а после окончания обработки векторов аварии и получения информации о степени загруженности элементов измененной СТС сравнивают полученные данные с базой данных общего состояния СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС в виде текстового сообщения оператору.

Кроме того, в качестве показателя восстановления работоспособности СТС определяют среднюю степень сохранения функций СТС для чего предварительно выделяют m сохраняемых функций СТС и для каждой из них задают степень сохранения в виде

где n_i - количество оставшихся работоспособными итоговых элементов, обеспечивающих выполнение i-той выделенной сохраняемой функции СТС,

- суммарное количество итоговых элементов для выполнения i-той выделенной сохраняемой функции СТС, разделяют принципиальную схему СТС на d элементарных площадей ΔS, имитируют повреждение всех элементов СТС на каждой элементарной площади ΔS с последующим образованием вектора аварии R и восстановлением работоспособности включением резервных связей, определяют среднюю степень сохранения FΔ_S всех выделенных сохраняемых функций СТС для каждой элементарной площади ΔS по выражению

и определяют среднюю степень сохранения всех выделенных сохраняемых функций F_ctc для СТС

Кроме того, для обеспечения выработки прогноза состояния измененной СТС по результатам определения средней степени сохранения выделенных функций СТС FΔ_S для каждой элементарной площади ΔS, в случае повреждения всех элементов структуры на ней, визуализируют каждую элементарную площадку окрашиванием ее в один из, по меньшей мере, двух цветов, соответствующих значению средней степени сохранения выделенных функций СТС, среди всех элементарных площадей выбирают элементарную площадь ΔS с цветом, соответствующим минимальному значению FΔ_s, повторно имитируют повреждение всех элементов СТС на ней с образованием вектора аварии и восстановлением работоспособности, выделяют потерявший работоспособность итоговый элемент, обеспечивающий выполнение i-той выделенной сохраняемой функции СТС, определяют поэлементные цепочки развития аварии от выделенного итогового элемента к элементам СТС, расположенным в зоне выбранной ΔS, производят изменения СТС перекомпоновкой элементов в этой зоне, осуществляя активные действия оператора из числа критических действий, определяют среднюю степень сохранения выделенных функций измененной СТС F’_стс и в случае F’_стс>f_стс считают прогноз состояния измененной СТС положительным.

Кроме того, комбинацию повреждений элементов СТС задают зоной возникновения аварии на принципиальной схеме СТС и мощностью первоначального аварийного воздействия, а формирование перечня поврежденных элементов СТС, соответствующего этому перечню вектора аварии, восстановление работоспособности СТС и выработку прогноза состояния измененной СТС производят в ускоренном масштабе времени для обеспечения возможности принятия оператором решения по изменению СТС до фактического повреждения ее элементов.

Достижение указанного технического результата в известной системе моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры (СТС), содержащей устройство ввода-вывода и визуализации информации в виде терминала с экраном, клавиатурой и мышью, вычислительное устройство и устройство хранения информации, обеспечивается тем, что в нее введены устройство формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройство формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС и устройство формирования вектора аварии, устройство хранения информации выполнено в виде устройства задания и хранения информации о принципиальной схеме СТС, устройства хранения текстовых сообщений о действиях оператора и устройства хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС, а вычислительное устройство выполнено в виде устройства хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, при этом выходы устройства ввода-вывода и визуализации информации подключены ко входам устройства задания и хранения информации о СТС, устройства формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройства формирования вектора аварии и устройства хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, устройство формирования вектора аварии подключено к включенным между собой последовательно устройству формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройству формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС и устройству хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, выходы которого подключены параллельно через устройство хранения текстовых сообщений о действиях оператора и через устройство хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС к устройству ввода-вывода и визуализации информации.

На фиг.1 представлена блок-схема информационной системы моделирования;

на фиг.2 - принципиальная схема конкретной СТС;

на фиг.3 - граф-модель принципиальной схемы СТС;

на фиг.4 показаны соответственно матрицы связности вершин граф-модели основных связей (каналов передачи энергии, вещества или энергии) - матрица В - а) и резервных связей - матрица С - б);

на фиг.5 и 6 представлены примеры алгоритмов, реализованных системой моделирования для решения задач, связанных с диагностикой и восстановлением работоспособности СТС;

на фиг.7 представлен пример визуализации принципиальной схемы СТС с разбиением на элементарные площади ΔS и заданием произвольной комбинации повреждений элементов СТС;

на фиг.8 - пример визуализации списка элементов СТС, потерявших работоспособность в результате задания произвольной комбинации повреждений элементов СТС;

на фиг.9 - пример визуализации окрашивания элементарных площадей ΔS принципиальной схемы СТС в зависимости от степени сохранения функций СТС при имитации поражения элементов на каждой элементарной площади ΔS;

на фиг.10 - пример поэлементной цепочки развития аварии от итогового элемента, обеспечивающего сохранение функции СТС, к элементам выбранной элементарной площади ΔS принципиальной схемы СТС;

на фиг.11 - пример визуализации выбранного элемента принципиальной схемы СТС на выбранной ранее элементарной площади ΔS для последующего изменения СТС;

на фиг.12 - пример визуализации значения показателя аварийности состояния связей СТС - разрастания вектора аварии

- с помощью интегральной кривой и кривой реактивности вектора;

на фиг.13 - блок-схема программы DESIGN

D.PAS, поиска критических действий операторов.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на конкретном примере некоторой технологической структуры, содержащей элементы и связи различных видов. Предположим, что котлотурбинная установка (КТУ), принципиальная схема которой изображена на фиг.2, включает котел с топливной цистерной и топливным насосом, паропроводы, подающие пар на главные турбозубчатые агрегаты №1 и №2 (ГТЗА) с навешенными на них генератором (Г) и винтами движительного комплекса корабля. Вакуум в главном конденсаторе (ГК) создается при помощи главного эжектора (ГЭЖ). Охлаждается пар в ГК забортной водой, которая прокачивается при помощи главного циркуляционного насоса (ГЦН). Питательная вода подается в котел последовательно включенными электроконденсатными и электропитательными насосами (ЭКН и ЭПН). Вырабатываемая навешенными на ГТЗА генераторами электроэнергия поступает на главные распределительные щиты ГРЩ-1 и ГРЩ-2, между которыми есть перемычка с автоматом А1. При помощи дизельобратимых преобразователей ДОП-1 и ДОП-2 переменный ток преобразуется в постоянный и подается на щиты постоянного тока ЩПТ-1 и ЩПТ-2, между которыми имеется перемычка с автоматом А2.

При потере напряжения в сети 380 В/50 Гц автоматически срабатывают запорные кремниевые устройства ЗУК-1 и ЗУК-2 и ток от аккумуляторных батарей АБ-1 и (или) АБ-2 идет на ДОП-1 и (или) ДОП-2, которые при этом переходят в инверторный режим, т.е. из постоянного тока вырабатывают переменный, и питают ГРЩ-1 и (или) ГРЩ-2. ЗУК-1 и ЗУК-2 шунтируются автоматами ВБ-1 и ВБ-2 соответственно. Между АБ-1 и АБ-2 также имеется перемычка с автоматом A3.

В случае отказа КТУ и АБ обоих бортов соединяются муфты у ДОП-1 и ДОП-2 и от пусковых баллонов воздуха высокого давления ВВД-1 и ВВД-2 запускаются дизели Д-1 и Д-2. На вал каждого дизеля навешены насосы охлаждающей воды, которые вместе с ГЦН через клапаны К-1÷К-6 образуют единую систему водяного охлаждения (СВО). От дизелей приводятся в движение гребные винты вспомогательного подруливающего устройства. Топливо к дизелям подается с помощью топливного насоса №2 из топливной цистерны №2. Всеми крупными механизмами управляет система автоматического управления (САУ), а при ее отказах ими можно управлять через человека-оператора с местных постов по соответствующим командам.

На фиг.3 изображена граф-модель КТУ. У конца каждой дуги и петли проставлены двухразрядные числа. Разряд десятков обозначает номер вида питания (цвета связи), например, 1 - пар или топливо, 2 - электроэнергия 380 В/50 Гц, 3 - управляющие сигналы от САУ, 4 - питательная вода, 5 - вода системы охлаждения, 6 - электроэнергия постоянного тока, а разряд единиц обозначает номер приоритета ввода в действие резерва. Приоритет 1 имеют все основные (в штатном режиме) связи и показаны толстыми дугами. Все резервные связи (приоритет 2 и более) показаны тонкими дугами.

На фиг.4 показаны соответственно матрицы связности вершин граф-модели основных связей (каналов передачи энергии, вещества или энергии) - матрица В (фиг.4а) и резервных связей - матрица С (фиг.4б). Каждый их ненулевой элемент соответствует двухразрядному числу на концах соответствующих дуг и петель граф-модели.

В соответствии с последовательностью действий способа задаем поражающие факторы какой-либо аварии (пожар, затопление, разрыв в системе ВВД или паропроводов и т.д.), что приводит, например, к повреждению генератора Г1 (фиг.2). Формируем вектор аварии внесением в его содержание всех выходящих дуг из вершины №7:

Здесь 23 - номер дуги граф-модели (на фиг.3 все номера даны в скобках).

При использовании вектора аварии R в качестве показателя аварийности состояния связей между элементами СТС принимаем за его значение - разрастание вектора аварии из поколения в поколение (этапы последовательного выхода из строя элементов и связей СТС).

По внешней аналогии с цепными реакциями в химии и ядерной физике, разрастание вектора аварий из поколения в поколение

можно по формальным признакам отнести к цепной реакции. Поэтому формально визуализируем (см. фиг.12) разрастание

с помощью специфических физико-химических характеристик.

1. Интегральная кривая

где n - номер поколения разрастания вектора аварий;

- суммарное количество элементов, потерявших свою работоспособность на данном i-ом поколении разрастания вектора аварий

.

2. Кривая реактивности разрастания вектора аварий ρ=φ(n).

где ρ - реактивность, представляющая собой отношение приращения числа элементов, потерявших свою работоспособность за одно поколение наращивания вектора аварий, к общему числу элементов, потерявших свою работоспособность.

В виде математического выражения реактивность представляется следующим образом:

или

По своей сути кривая реактивности является дифференциальной кривой к интегральной кривой:

.

Назначение визуализации значения показателя аварийности состояния связей между элементами СТС - разрастания вектора аварии - состоит в визуальной общей качественной оценке состояния СТС посредством визуального наблюдения степени разрастания аварии от различных комбинаций первоначальных повреждений элементов этой СТС.

В приведенном выше примере моделирования аварии рассматриваем только одно звено цепной реакции разрастания вектора аварии (значения показателя аварийности состояния связей между элементами СТС) и восстановления работоспособности СТС ее изменением путем замещения поврежденных связей резервными.

В результате повреждения генератора Г1 теряет питание электроэнергией (с параметрами 380 В/50 Гц) ГРЩ-1. В матрице В (фиг.4а) это соответствует тому, что в строке 9 и столбце 7 ее ненулевой элемент b_9,7=21→0 становится равным нулю. Далее в соответствии с последовательностью действий способа восстанавливают работоспособность, замещая поврежденную связь резервной поиском в матрице резервов С (фиг.4б) в ее строке 9 ненулевого элемента с тем же самым видом питания 2 (380 В/50 Гц) и следующим по порядку номером ввода в действие резерва, т.е. приоритетом 2. Этот элемент должен иметь индекс 22. Такой элемент находят в колонке 13 матрицы С, т.е. с_9,13=22. Затем переводят элемент с_9,13=22 из матрицы С в матрицу В на свое место, т.е. в строку 9 и колонку 13. После чего этот элемент из матрицы С исключается, т.е. С_9,13=22→0, а в матрице В появляется новый ненулевой элемент b_9,13=0→22 (фиг.4). В общем виде эта совокупность действий процесса восстановления работоспособности представляется в виде:

(r_1,1=23∩L)⇒(b_9,7=21→0)&(с_9,13=22→0)&(b_9,13=0→22).

Обрабатывая каждый элемент вектора аварии R, фиксируют номера всех перемещенных элементов из матрицы С в матрицу В. Каждое такое перемещение в реальности требует ввода в действие какой-то резервной связи. Поэтому для каждого ненулевого элемента матрицы резервов С заранее поставлено в соответствие текстовое сообщение для оператора о том, что ему конкретно нужно сделать для ввода в действие резервной связи. Следовательно, после окончания процесса восстановления, т.е обработки векторов аварии всех поколений R [8], на экраны дисплеев выводятся сообщения о конкретных действиях операторов по восстановлению работоспособности СТС, в частности номера резервных связей, которые соответствуют тем ненулевым элементам матрицы С, которые переместились в матрицу В. Затем согласно этим номерам в виде текста выдаются рекомендации на экраны дисплеев соответствующим операторам о выполнении необходимых оперативных переключений.

По аналогии с функционально и топологически (конструктивно) слабыми (критическими) местами СТС существуют также критические действия операторов. Физическая суть их сводится к тому, что при единичном отказе какого-то элемента СТС существует такое активное действие оператора (пассивное действие осуществляется с пульта оператора системой автоматики), невыполнение которого приведет к потере или ухудшению одной или нескольких функций СТС. Самоочевиден факт, что таких критических действий должно быть как можно меньше, а обнаруживать их нужно еще на этапах проектирования для принятия соответствующих конструктивных мер. Поиск критических действий позволяет провести четкую грань между тем, что обязательно и что не обязательно делать оператору в первую очередь. В основе поиска лежит программа DESIGN

D.PAS, которая автоматически ищет критические действия операторов. При создании этой программы (см. фиг.13) было дано определение вновь введенным понятиям.

Критическим действием называется такое активное действие оператора, вызванное реакцией СТС на отказ ее единичного элемента, от факта выполнения которого зависит степень сохранения одной или нескольких функций СТС.

Суть самого поиска критических действий заключается в следующем.

1. Подготовка данных для работы программы DESIGN

D.PAS.

2. Работа программы DESIGN

D.PAS.

3. Обработка результатов работы программы DESIGN

D.PAS.

4. Если есть критические действия, то они осуществляются операторами, после чего структура СТС изменяется и необходимо снова вернуться к осуществлению п.1.

В процессе работы программы DESIGN

D.PAS могут быть обнаружены действия критические, и подозреваемые на критические, но так ими и не ставшие. И те, и другие могут быть обратимыми и необратимыми.

Действие, подозреваемое на критическое, это такое критическое действие, в результате выполнения которого никаких ухудшений контролируемых функций СТС не будет, но при этом из-за технологической взаимозависимости возможна потеря работоспособности других элементов.

Обратимостью критического (или подозреваемого на критическое) действия называется его способность сразу восстановить ухудшенные функции СТС после его выполнения, сколько бы временная задержка его выполнения не длилась.

Необратимостью критического (или подозреваемого на критическое) действия называется факт невозможности восстановления ухудшенных или утраченных функций СТС после временной задержки (больше латентного периода) с его выполнением.

Максимальное время, в течение которого еще можно восстановить ухудшенные или потерянные функции СТС, выполнив критическое необратимое действие, называется латентным периодом.

Наиболее опасными являются необратимые критические действия, выполнение которых для оператора обязательно в первую очередь.

Например, необратимыми действиями могут быть действия, связанные с организацией режима теплосъема с парогенераторов, оборудования ядерного реактора, электронагревательных приборов и многие другие. Латентный период активных критических необратимых действий в секундах учитывается в соответствующей таблице.

Одновременно формируют информацию об элементах, которые будут работать в условиях перегрузки. Для этого заранее каждой связи приписывают число, характеризующее ее пропускную способность. После изменения СТС для каждого цвета (вида связи) производят анализ каждого элемента на перегрузку, для чего, идя по строке матрицы В, суммируют все входящие потоки по видам связи, а идя по столбцу, - исходящие. В случае, если для какого-либо элемента, описанного вершиной граф-модели, обнаруживается превышение исходящего потока над входящим, то у него фиксируется перегрузка. При этом вычисляется степень перегрузки в (%), а также выдается список элементов, получающих питание с перегруженного, и количество потребляемого ими потока данной связи, операторам на экраны дисплеев.

После окончания обработки векторов аварии и получения информации о степени загруженности элементов измененной СТС сравнивают полученные данные с предварительно сформированной базой данных общего состояния СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС в виде текстового сообщения оператору.

С точки зрения диагностики СТС особое место занимает группа близко размещенных конструктивно элементов СТС, одновременная потеря работоспособности которых приводит к значительному ухудшению выполнения хотя бы одной существенной функции СТС. В связи с этим для дальнейшего расширения функциональных возможностей способа обеспечением более полной и глубокой диагностики реальной СТС, измененной СТС, а также поиска оптимального варианта изменения СТС, в качестве показателя восстановления работоспособности СТС можно принять среднюю степень сохранения функций СТС, обозначаемую - F_cтc.

Для определения F_cтc предварительно выделяют m сохраняемых, т.е. наиболее важных функций СТС, например: F_эн - запас энергии СТС; F_дв - возможность движения; F_yпp – возможность управления; F_cв - возможность связи; F_ppa - работоспособность рабочих агрегатов, и для каждой из них задают степень сохранения в виде

- суммарное количество итоговых элементов для выполнения i-той выделенной сохраняемой функции СТС.

Например, если возможность движения F_дв - обеспечивается суммарным количеством итоговых элементов - движителей, равным шести, а количество оставшихся работоспособными движителей равно трем, то степень сохранения функции возможности движения F_дв=0,5.

Далее разделяют принципиальную схему СТС на d элементарных площадей ΔS (фиг.7), имитируют повреждение всех элементов СТС (фиг.8) на каждой элементарной площади ΔS с последующим образованием вектора аварии R и восстановлением работоспособности включением резервных связей, определяют среднюю степень сохранения fΔ_s всех выделенных сохраняемых функций СТС для каждой элементарной площади ΔS по выражению

Например, для указанного выше случая при m=5

fΔ_s=(F_эн+F_дв+F_yпp+F_св+F_ppa)/5

и определяют среднюю степень сохранения всех выделенных сохраняемых функций F_cтc для СТС

Для обеспечения выработки прогноза состояния измененной СТС, большей наглядности и удобства работы оператора с моделью, по результатам определения средней степени сохранения выделенных функций FΔ_s для каждой элементарной площади ΔS, в случае повреждения всех элементов СТС на ней, визуализируют каждую элементарную площадку окрашиванием ее в один из, по меньшей мере, двух цветов, соответствующих значению средней степени сохранения выделенных функций СТС.

Оптимальным количеством для классификации результатов имитации повреждения всех элементов СТС на элементарной площадке ΔS являются пять цветов (фиг.9), идентифицирующие следующие состояния СТС:

Зеленый - все функции СТС полностью сохранены;

Желтый - ограничена одна функция;

Сиреневый - ограничено более одной функции;

Синий - полностью потеряна одна из функций;

Красный - полностью потеряны более одной функции.

При увеличении количества цветов и идентифицируемых состояний СТС (в экспериментах до 16) пропадает эффект контрастности, необходимый для визуального анализа компоновки СТС.

Далее мышью отыскивают среди всех элементарных площадей элементарную площадь ΔS с цветом, соответствующим минимальному значению FΔ_s, чаще всего - красным, повторно имитируют повреждение всех элементов СТС на ней с образованием вектора аварии и восстановлением работоспособности.

Затем в списке элементов, потерявших свою работоспособность, выделяют потерявший работоспособность итоговый элемент, обеспечивающий выполнение i-той выделенной сохраняемой функции СТС.

После этого определяют поэлементные цепочки развития аварии (фиг.10) от выделенного итогового элемента к элементам СТС, расположенным в зоне выбранной ΔS (они окрашены в красный цвет) и производят изменения СТС перекомпоновкой элементов в этой зоне, осуществляя активные действия оператора из числа критических действий.

Далее для новой компоновки элементов определяют среднюю степень сохранения выделенных функций измененной СТС F’_стс и в случае F’_стс>F_cтc считают прогноз состояния измененной СТС положительным.

При использовании данного способа в системе информационной поддержки оператора необходимо практическое получение вектора аварии установкой датчиков на все элементы СТС или докладами с постов, что усложняет СТС, обуславливает появление дополнительных сбоев или носит субъективный характер.

Для исключения указанных недостатков, наиболее вероятную информацию получают из модели развития аварии, для чего комбинацию повреждений элементов СТС задают зоной возникновения аварии на принципиальной схеме СТС и мощностью первоначального аварийного воздействия, а формирование перечня поврежденных элементов СТС, а также соответствующего этому перечню вектора аварии, восстановление работоспособности СТС и выработку прогноза состояния измененной СТС производят в ускоренном масштабе времени для обеспечения возможности принятия оператором решения по изменению СТС до фактического повреждения ее элементов.

Информационная система моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры (СТС), реализующая способ, представлена на фиг.1 и содержит устройство ввода-вывода и визуализации информации 1 в виде терминала с экраном, клавиатурой и мышью, устройство формирования граф-модели принципиальной схемы СТС 2, устройство формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС 3, устройство формирования вектора аварии 4, устройство задания и хранения информации о принципиальной схеме СТС 5, устройство хранения текстовых сообщений о действиях оператора 6, устройство хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС 7, устройство хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности 8, при этом выходы устройства ввода-вывода и визуализации информации подключены ко входам устройства задания и хранения информации о СТС, устройства формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройства формирования вектора аварии и устройства хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, устройство формирования вектора аварии подключено к включенным между собой последовательно устройству формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройству формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС и устройству хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, выходы которого подключены параллельно через устройство хранения текстовых сообщений о действиях оператора и через устройство хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС к устройству ввода-вывода и визуализации информации.

Устройство хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности 8 управляется с клавиатуры или мышью и содержит, кроме алгоритма управления формированием вектора аварии и матрицами связности (алгоритм “Энергия), дополнительные алгоритмы для взаимосвязанных задач, решаемых с помощью предложенного способа моделирования с базой данных на основе граф-модели. Для решения указанных задач каждой связи граф-модели присваивается некоторое число n ее атрибутов. Так для изложенного выше практического примера выполнения способа моделирования такими атрибутами являются: μ1 - основная или резервная, μ2 - приоритет ее ввода в действие, μ3 - цвет, μ4 - пропускная способность, μ5 - активность действий, μ6 - наименование, μ7 - топология размещения. С указанными атрибутами система решает прямую задачу автоматической выработки противоаварийных действий операторов при задании произвольной комбинации повреждений элементов СТС и обратную задачу определения конструктивно “слабых” перегруженных мест СТС при произвольной комбинации действий операторов (конструкторов). Кроме того, при n=7 таких задач может быть К=2ⁿ⁺¹ (всего комбинаций 2ⁿ, но каждая из них может быть применена дважды к прямой и обратной задаче, что приводит к показателю "n+1"). Следовательно, с n=7 можно решить 256 различных практически, но взаимосвязанных задач.

Ниже представлены два примера работы алгоритмов устройства 8.

Алгоритм “Конструктор” (фиг.5) работает следующим образом.

1) Происходит ввод в ЭВМ исходных данных о граф-модели (блок 1).

2) Берется первоначальная вершина граф-модели i=1, потеря работоспособности которой имитируется (блок 2).

3) Идет образование вектора аварий -

(блок 3).

4) Применяется алгоритм “Энергия” (блок 4).

5) Берется первоначальная вершина граф-модели к=1, “работоспособность” которой (Н_к=0 - не работоспособна и Н_к=1 - работоспособна) проверяется в результате имитации “выхода из строя” i - ой вершины (блок 5).

6) Проверяется условие “работоспособности” к-той вершины граф-модели в результате “выхода из строя” i-ой вершины (блок 6).

7) “Запоминание” компьютером к-ых (

) номеров вершин граф-модели, “работоспособность” которых потеряна в результате “выхода из строя” i-ой вершины (блок 7).

8) Увеличение на единицу номера анализируемой (на предмет наличия или отсутствия “работоспособности”) вершины (блок 8).

9) Проверка на окончание перебора всех анализируемых вершин (блок 9).

10) Восстановление матриц В и С (блок 10).

11) Увеличение на единицу номера вершины, у которой имитируется потеря ее “работоспособности” (блок 11).

12) Проверка на окончание перебора всех вершин, потеря “работоспособности” которых имитируется ( блок 12).

13) Вывод информации о слабых местах в структуре проекта ( блок 13).

Система может быть использована для обучения и тренировки навыков операторов, управляющих СТС. Алгоритм “Тренажер” (фиг.6) работает следующим образом.

1) Обучающий задает произвольную комбинацию повреждений (вектор аварий -

) различных механизмов, объявляет их обучающимся и вводит в ЭВМ (блок 3).

2) Программа, реализующая алгоритм “энергия”, обрабатывает

и получает решение, которое принимается за эталонное. Это решение обучаемому (обучаемым) не показывается (блок 4).

3) Обучающий предлагает каждому из обучаемых выработать решение на переключение на заданный

. Обучаемые вырабатывают свои решения (каждый по материальной части своего заведования), которые в виде номеров действий вводят в ЭВМ. Для этого необходимо иметь сборник всех действий по всем системам корабля, где каждое действие будет иметь свой номер (блок 6).

4) Далее алгоритм сравнивает эталонное решение с суммарным решением всех обучаемых. Если некоторые обучаемые не учли какие-то действия, имеемые в эталонном решении, то соответствующие им резервные связи “запоминаются” в векторе

(блок 7).

5) Идет восстановление матрицы В и С.

6) Из матрицы С удаляются “запомненные” связи, т.е. неучтенные обучаемым действия:

(блок 8).

7) Алгоритм “Энергия” снова обрабатывает заданный обучающим

, но уже с матрицей резервов

(блоки 3 и 4 ).

8) На экране дисплея выдается эталонное решение, где перед каждым действием в скобках стоит одно из словосочетаний: “действие учтено” или “действие не учтено”. Далее идет информация о том общем техническом состоянии СТС, в которое она может попасть в результате выполнения эталонных действий. Такое решение получается на основе таблицы истинности, где учтены состояния важнейших механизмов СТС, обозначенных в ее граф-модели вершинами, и где на каждую комбинацию состояний таких элементов имеется заранее заготовленное текстовое сообщение. После этого снова идет информация об общем техническом состоянии СТС, но уже с учетом того, что часть из эталонных действий операторы не выполнили.

Предлагаемый способ и реализующая его информационная система, обеспечивают устранение или существенное уменьшение недостатков указанных в обзоре уровня техники аналогов, в том числе, расширение функциональных возможностей технических решений с обеспечением моделирования работы сложной технологической структуры (СТС) в предаварийных и аварийных режимах, обеспечение получения оперативной информации оператором о действиях по восстановлению работоспособности СТС, основанных на использовании имеющегося резерва внутренних возможностей самой СТС, выработка прогноза состояния СТС в этом случае и рекомендаций по дальнейшему улучшению функционирования измененной СТС.

Claims

1. Способ моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры, включающий определение схемотехнических характеристик элементов сложной технологической структуры (СТС) и установление их взаимосвязи, отличающийся тем, что разделяют все связи между всеми элементами принципиальной схемы СТС на основные и резервные, задают произвольную комбинацию повреждений элементов СТС, определяют значение показателя аварийности состояния связей между элементами СТС, в случае неравенства этого показателя нулевому значению восстанавливают работоспособность СТС, изменяя ее замещением поврежденных связей резервными, определяют значение показателя восстановления работоспособности СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение элементов принципиальной схемы СТС производят построением цветной граф-модели, в которой элементы СТС обозначают вершинами графа, связи между элементами - дугами графа, вид связи по энергии, веществу или информации - цветом дуг, а элементы-источники видов связи - петлями при соответствующих вершинах.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для реализации на компьютере цветную граф-модель представляют в виде, по меньшей мере, двух матриц связности элементов СТС, номера строк и столбцов которых соответствует номерам вершин граф-модели, ячейки - индексам дуг граф-модели, представляющим собой двухразрядные числа, разряд десятков которых индексирует вид связи - цвет, а разряд единиц - приоритет перевода элемента из резервного в основной, причем в первой матрице отображают основные связи, а во второй - резервные.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве показателя аварийности состояния связей между элементами СТС используют вектор аварии R, который определяют следующим образом:

где r_i - признак состояния связи, а именно r_i=1 - i-я связь не уничтожена поражающими факторами от аварии, r_i=0 - уничтожена;

m - количество связей, в котором порядковые номера 1≤i≤m’ относятся к основным связям, а m’+1≤i≤m относятся к резервным связям.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что каждой дуге присваивают порядковый номер связи, а формирование, по меньшей мере, одного вектора аварии R осуществляют внесением в его содержание номеров всех дуг граф-модели, выходящих из, по меньшей мере, одной ее вершины, обозначающей, по меньшей мере, один поврежденный элемент СТС в соответствии с выражением

где k - номер дуги граф-модели.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что замещение поврежденных элементов и связей СТС резервными начинают в случае неравенства величины вектора аварии нулевому значению поиском и последующим переводом в первую матрицу резервного элемента в той же строке второй матрицы, что и поврежденный элемент в первой матрице, с таким же цветом - видом связи и приоритетом перевода элемента из резерва в функционирующую систему, превышающим, по меньшей мере, на единицу приоритет поврежденного элемента из первой матрицы, а заканчивают выдачей оператору текстового сообщения о его действиях по восстановлению работоспособности СТС, заранее поставленного в соответствие каждому переводу элемента из второй матрицы в первую.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве показателя восстановления работоспособности СТС определяют степень загруженности элементов измененной СТС, для чего предварительно задают для каждой связи ее пропускную способность, а после изменения СТС суммируют для каждого элемента по строке матрицы фактически функционирующих связей все входящие потоки по каждому виду связи, а по столбцу - исходящие и при превышении исходящего потока по любому виду связи над входящим определяют степень перегрузки элемента, о чем формируют текстовое сообщение оператору.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что для обеспечения выработки прогноза состояния измененной СТС предварительно формируют базу данных общего состояния СТС с текстовой информацией в зависимости от загруженности каждого ее элемента и/или их комбинации, а после окончания обработки векторов аварии и получения информации о степени перегрузки элементов измененной СТС сравнивают полученные данные с базой данных общего состояния СТС и вырабатывают прогноз состояния СТС в виде текстового сообщения оператору.

9. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве показателя восстановления работоспособности СТС определяют среднюю степень сохранения функций СТС, для чего предварительно выделяют m сохраняемых функций СТС и для каждой из них задают степень сохранения в виде

где n_i - количество оставшихся работоспособными итоговых элементов, обеспечивающих выполнение i-й выделенной сохраняемой функции СТС,

- суммарное количество итоговых элементов для выполнения i-й выделенной сохраняемой функции СТС, разделяют принципиальную схему СТС на d элементарных площадей ΔS с последующим образованием вектора аварии R и восстановлением работоспособности включением резервных связей, определяют среднюю степень сохранения FΔ_S всех выделенных сохраняемых функций СТС для каждой элементарной площади ΔS по выражению

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для обеспечения выработки прогноза состояния измененной СТС по результатам определения средней степени сохранения выделенных функций СТС FΔ_S для каждой элементарной площади ΔS в случае повреждения всех элементов структуры на ней визуализируют каждую элементарную площадку окрашиванием ее в один из, по меньшей мере, двух цветов, соответствующих значению средней степени сохранения выделенных функций СТС, среди всех элементарных площадей выбирают элементарную площадь ΔS с цветом, соответствующим минимальному значению FΔ_S, повторно имитируют повреждение всех элементов СТС на ней с образованием вектора аварии и восстановлением работоспособности, выделяют потерявший работоспособность итоговый элемент, обеспечивающий выполнение i-й выделенной сохраняемой функции СТС, определяют поэлементные цепочки развития аварии от выделенного итогового элемента к элементам СТС, расположенным в зоне выбранной ΔS, производят измерения СТС перекомпоновкой элементов в этой зоне, определяют среднюю степень сохранения выделенных функций измененной СТС F’_CTC и в случае F’_CTC>F_CTC, считают прогноз состояния измененной СТС положительным.

11. Способ по п.4, отличающийся тем, что комбинацию повреждений элементов СТС задают зоной возникновения аварии на принципиальной схеме СТС и мощностью первоначального аварийного воздействия, а формирование перечня поврежденных элементов СТС, соответствующего этому перечню вектора аварии, восстановление работоспособности СТС и выработку прогноза состояния измененной СТС производят в ускоренном масштабе времени для обеспечения возможности принятия оператором решения по изменению СТС до фактического повреждения ее элементов.

12. Информационная система моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры (СТС), содержащая устройство ввода-вывода и визуализации информации в виде терминала с экраном, клавиатурой и мышью, вычислительное устройство и устройство хранения информации, отличающееся тем, что в нее введены устройство формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройство формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС и устройство формирования вектора аварии, устройство хранения информации выполнено в виде устройства задания и хранения информации о принципиальной схеме СТС, устройства хранения текстовых сообщений о действиях оператора и устройства хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС, а вычислительное устройство выполнено в виде устройства хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, при этом выходы устройства ввода-вывода и визуализации информации подключены ко входам устройствам задания и хранения информации о СТС, устройства формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройства формирования вектора аварии и устройства хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, устройство формирования вектора аварии подключено к включенным между собой последовательно устройству формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройству формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС и устройству хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности, выходы которого подключены параллельно через устройство хранения текстовых сообщений о действиях оператора и через устройство хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС к устройству ввода-вывода и визуализации информации.