Устройство для определения показателя готовности сложных технических объектов Советский патент 1992 года по МПК G06F15/46 

Фиг. 1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при исследовании стационарных случайных процессов.

Известно устройство, содержащее ге- нераторы случайных сигналов, элемент И, счетчик, блок деления и блок индикации

1.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее делитель частоты, генератор тактовых импульсов и в каждом канале формирователь экспоненциальных импульсов, индикатор, первый элемент запрета, узел выбора ресурса и последовательно соединенные генератор случайных напряжений, блок умножения и пороговый блок 2.

Недостаток этих устройств - низкие функциональные возможности, что не позволяет определить вероятность нахожде- ния сложных технических объектов в состоянии работоспособности для стационарного случайного процесса, т.е. не позволяет определить коэффициент готовности сложных технических объектов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения коэффициента готовности сложных технических объектов для стационарного случайного процесса отказов злементов объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор импульсов и в каждом канале моделирования отказов блок умножения, пороговый эле- мент и элемент ЗАПРЕТ, введены первый и второй элементы И, первый накапливающий сумматор, первый и второй ключи, первый элемент задержки, блок вычитания, блок деления, блок индикации и блок зада- ния суммарного времени эксплуатации объекта, а каждый канал моделирования отказов содержит дополнительно третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой ключи, блоки задания эффективности объекта и пе- риода эксплуатации объекта, второй и третий накапливающие сумматоры, первый и второй генераторы случайных сигналов, счетчик и второй элемент задержки, выход блока умножения подключен к информа- ционному выходу канала моделирования отказов, входы первого и второго сомножителей- к выходу соответственно третьего и четвертого ключей, информационные входы которых соединены соответственно с выходом блока задания эффективности объекта и второго накапливающего сумматора, а управляющие входы - с управляющим выходом канала моделирования отказов, выходом счетчика и инверсным входом

элемента ЗАПРЕТ, прямой вход которого подключен к входу запуска канала моделирования отказов, а выход - к информационному входу пятого ключа, выход которого соединен с управляющими входами шестого и седьмого ключей и с входами запуска первого и второго генераторов случайных сигналов, выходы которых подключены к информационным входам соответственно шестого и седьмого ключей, выход седьмого ключа соединен с входом второго накапливающего сумматора и с первым информационным входом третьего накапливающего сумматора, второй информационный вход которого подключен к выходу шестого ключа, вход сброса - к выходу второго элемента задержки, а выход - к информационному входу порогового элемента, вход которого подключен к выходу блока задания периода эксплуатации объекта, а выход - к управляющему входу пятого ключа, к входу второго элемента задержки и к счетному входу счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса канала моделирования отказов, информационный выход каждого канала моделирования отказов соединен с соответствующим информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого связан с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого и вход первого элемента задержки подключены к выходу второго элемента И, выход первого ключа подсоединен ко входу вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом блока задания суммарного времени эксплуатации объекта и с входом делителя блока деления, выход которого связан с входом блока индикации, а вход делимого - с выходом второго ключа, информационный вход которого подключен к выходу блока вычитания, а управляющий вход - к выходу первого элемента задержки и к входам сброса каналов моделирования отказов, управляющие выходы которых соединены со входами первого и второго элементов И, а входы запуска каналов моделирования отказов подключены к выходу генератора импульсов, вход остановки которого связан с выходом первого элемента И, а вход пуска является соответствующим входом устройства.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы.

Сущность изобретения состоит в том, что по каждому i-му блоку сложного технического объекта моделируются с заданным законом случайные времена работоспособного состояния tp,- j и случайные времена

восстановления этих блоков te; j, где i - номер блока; j - номер события на интервале времени эксплуатации сложного технического объекта (фиг.2а,б,в).

В отличие от простых технических объектов сложные технические объекты при отказе некоторых блоков могут продолжать функционирование, но с заниженной эффективностью использования (Эи). Поэтому использование классической формулы

Кг

То

То+Тв

где Кг - коэффициент готовности;

То - среднее время безотказной работы;

Тв - среднее время восстановления, дает нижнюю оценку готовности сложных технических объектов, так как в этом выражении отказ любого блока приводит к отказу всего технического объекта в целом (фиг.2г). Если эффективность использования при отказе i-ro блока равна единице, т.е. отказ не влияет на качество функционирования технического объекта, вполне очевидно, что время восстановления i-ro блока гв не должно влиять на коэффициент готовности. Если 3iij 0, то tB) в полной мере необходимо учитывать при определении коэффициента готовности. Во всех остальных случаях, когда 1 Эи 0, при определении коэффициента готовности необходимо учитывать произведение (1-Эи)-хв (фиг.2д,е,ж,з).

Математически задача описывается следующим соотношением:

М

.-о-эи,)- Е i I tB,,|;r

г g i

мтэ

где Тэ - период эксплуатации технического объекта, на котором определяется коэффициент готовности;

М - количество циклов моделирования, необходимых для достижения заданной доверительной вероятности;

N - количество блоков, входящих в состав технического объекта;

К- количество случайных событий отказов, возникших в реализации по i-му блоку за время Тэ.

Введение в каждый канал моделирования отказов блоков задания эффективности объекта и периода эксплуатации объекта, второго и третьего накапливающих сумматоров, первого и второго генераторов случайных сигналов, ключей и счетчика позволяет определить случайное значение суммарного времени восстановления технического объекта за М циклов моделирования, т.е. с заданной достоверностью с учетом значения эффективности использования в i-ом состоянии, а введение первого

накапливающего сумматора, первого и второго элементов И, блока вычитания, блока задания суммарного времени эксплуатации объекта и блока деления позволяет определить коэффициент готовности сложного тех0 нического объекта.

Устройство содержит п каналов 1i-1n моделирования отказов, генератор 2 импульсов, первый элемент 143, первый накапливающий сумматор 4, первый ключ 5,

5 второй элемент И 6, блок 7 вычитания, блок 8 задания суммарного времени эксплуатации объекта, второй ключ 9, первый элемент задержки 10, блок 11 деления, блок 12 индикации, а каждый i-й канал моделирования

0 отказов включает блок 13i задания эффективности объекта, третий ключ 14|, блок 15i умножения, четвертый ключ 16j, второй накапливающий сумматор 17i, элемент ЗАПРЕТ 18i, пятый ключ 19i, первый генератор

5 20i случайных сигналов, шестой ключ 211, второй генератор 22i случайных сигналов, седьмой ключ 23i, третий накапливающий сумматор 24и блок 25i задания периода эксплуатации объекта, пороговый элемент 26i,

0 второй элемент задержки 27| и счетчик 28i, информационный выход 29i канала 1i моделирования отказов, управляющий выход 30| канала 1j моделирования отказов, вход 31 j запуска канала 1i моделирования отказов,

5 вход 32| сброса канала 1i моделирования отказов, вход 33 устройства.

В каждом канале 1i моделирования отказов выход блока 15 умножения подключен к информационному выходу 29i канала

0 1i моделирования отказов, вход первого сомножителя блока 15i умножения подключен к выходу третьего ключа 14j, вход второго сомножителя - к выходу четвертого ключа 16i, информационный вход третьего ключа

5 14j соединен с выходом блока 13i задания эффективности объекта, информационный вход четвертого ключа 16i - с выходом второго накапливающего сумматора 17j. Управляющие входы третьего ключа 14j и

0 четвертого ключа 16j соединены с управляющим выходом 30j канала1j моделирования отказов, выходом счетчика 28j и инверсным входом элемента ЗАПРЕТ 18i. Прямой вход элемента ЗАПРЕТ 18j подключен к входу 31

5 запуска канала 1i моделирования отказов, выход - к информационному входу пятого ключа 19j, выход которого соединен с управляющими входами шестого 21i и седьмого 23i ключей и с входами запуска первого 20i и второго 22j генераторов случайных сигналов. Выход первого генератора 20i случайных сигналов подключен к информационному входу шестого ключа 21j, выход второго генератора 22j случайных сигналов - к информационному входу седьмого ключа 23i, выход которого соединен с входом второго накапливающего сумматора 17| и с первым информационным входом третьего накапливающего сумматора 24|. Второй информационный вход третьего накапливающего сумматора 24| соединен с выходом шестого ключа 21ь вход сброса - с выходом второго элемента 27 задержки, выход - с информационным входом порогового элемента 26). Вход порогового элемента 26j подключен к выходу блока 25s задания периода эксплуатации объекта, выход- куправляющему входу пятого ключа. 19i, к входу второго элемента 27j задержки и к счетному входу счетчика 28i, Вход сброса счетчика 28i сое- динен с входом 32i сброса канала 1i моделирования отказов.

Информационный выход 29i каждого канала моделирования отказов соединен с соответствующим информационным входом первого накапливающего сумматора 4, выход которого связан с информационным входом первого ключа 5. Управляющий вход первого ключа 5 и вход первого элемента 10 задержки подключены к выходу второго эле- мента И 6. Выход первого ключа 5 подсоединен к входу вычитаемого блока 7 вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом блока 8 задания суммарного времени эксплуатации объекта и с входом делителя блока 11 деления, К выходу блока 11 деления подключен блок 12 индикации. Вход делимого блока 11 деления со- единен с выходом второго ключа 9, информационный вход которого подключен к выходу блока 7 вычитания, а управляющий вход - к выходу первого элемента 10 задержки и к входам 32i-32n сброса каналов 1i 1П моделирования отказов. Управляющие выходы 30i-30n каналов 1i-1n моделирова- ния отказов соединены с входами первого 3 и второго 6 элементов И, входы 31i-31n запуска каналов 1i-1n моделирования отказов - с выходом генератора 2 импульсов, вход остановки которого связан с выходом первого элемента И 3, а вход пуска является соответствующим входом 33 устройства.

Блоки задания суммарного времени эксплуатации объекта, эффективности объекта и периода эксплуатации объекта 8, 13, 25 - стандартные элементы, например регистры, в которых в исходном состоянии запи- сана кодовая комбинация, значение которой пропорционально МТЭ, (Т-ЭиО и Ь соответственно.

Пятый ключ 19| имеет инверсный управляющий вход. Первый и второй генераторы случайных сигналов 20i и 22i при поступлении сигнала на управляющий вход выраба: тывают случайные кодовые комбинации с заданными математическим ожиданием и дисперсией, пропорциональные случайным временам безотказной работы т.реди восстановления т.Ь|д соответственно. Счетчик 28 предназначен для подсчета количества отказов i-го, j-ro и т.д. блоков, при которых выполняются требования по достоверности.

Устройство работает следующим образом.

По входу 33 устройства запускается генератор 2 импульсов. В исходном состоянии счетчики обнулены, поэтому на управляющих входах элементов ЗАПРЕТ 18i 18П нулевые потенциалы и первый импульс с генератора 2 импульсов через открытые пятые ключи 19i-19n (так как на выходе пороговых элементов 26i-26n логический О) запускает первые 20i-20n и вторые 22i-22n генераторы случайных сигналов. С выхода генераторов 2Qi-20n случайных сигналов случайные числа, пропорциональные трм - . через открытые шестые ключи 21i-21n поступают на первые информационные входы третьих накапливающих сумматоров 24i-24n, на вторые информационные входы которых поступают случайные числа, пропорциональные tB«-tBft,j с выходов генераторов случайных сигналов через открытые седьмые ключи 23-|-23п. С выхода третьих накапливающих сумматоров 24i-24n кодовые комбинации, пропорциональные суммам 1рЈд+ tBi, поступают на информационные входы пороговых элементов . С выходов блоков 25i-25n задания периода эксплуатации объекта на входы пороговых элементов 26i-26n поступают кодовые комбинации, пропорциональные Тэ.

Для модели 1i, где выполняется неравенство tPt(,j + tBi,i Тэ, на выходе порогового элемента 26i появляется сигнал логической 1, который записывается в счетчик 28i, закрывает пятый ключ 19i для исключения ложной записи второй накапливающий сумматор 17i и через второй элемент 27j задержки сбрасывает содержимое третьего накапливающего сумматора 24j, подготавливая его к новому циклу моделирования.

Для модели 1j, где не выполняется неравенство tpji + tBj,i Тэ, на выходе порогового элемента 26 сигнал логического О, следовательно пятый ключ 19j открыт и второй импульс с выхода генератора 2 импульсов через элемент ЗАПРЕТ 18j и пятый ключ 19j запускает генераторы 20j и 22j случайных сигналов. На выходе третьего накапливающего сумматора 24j появляется значение, пропорциональное

tp.M+tpj.i+tBj.t+tBjz.Если эта сумма меньше Тэ, третьим импульсом с генератора 2 импульсов снова запускаются генераторы 20j и 22j случайных сигналов, в третьем накапливающем сумматоре 24j появляется значение

ЈЛ + ,

Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока значение на информационном входе порогового элемента 26j не станет больше значения на его входе, связанном с выходом блока 25j задания периода эксплуатации объекта, т.е. осуществлено моделирование на промежутке времени больше периода эксплуатации Тэ.

После этого начинается подготовка этих каналов моделирования отказов к новому циклу моделирования на интервале времени Тэ и затем выполнение следующего цикла по описанному алгоритму. Процесс моделирования будет продолжаться до тех пор, пока на выходе счетчика 28| не появится сигнал, свидетельствующий о выполнении требований по достоверности моделирования (М реализаций случайного процесса). Этим сигналом в каналах 11 моделирования отказов, где требования по достоверности выполнены, открываются третий и четвертый ключи 14 и 16, разрешая умножение

м

(1-Эи,)-. g 2tB 1/;

закрывается элемент ЗАПРЕТ 18i, предотвращая дальнейшую работу по данному кана- лу моделирования, подготавливаются первый и второй элементы И 3 и 6 соответственно для запрета работы генератора 2 импульсов и открытия первого и второго ключей 5 и 9. После появления сигнала логической 1 на выходах счетчиков всех каналов 1i-1n моделирования отказов с выхода первого элемента И 3 запрещается работа генератора 2 импульсов. В блоке 7 вычитания определяется разность между значением МТЭ, поступающим на вход

0

5

Q

уменьшаемого с выхода блока 8 задания суммарного времени эксплуатации объекта, и значением с выхода первого накапливающего сумматора 4, пропорциональным

(1 -Эщ)х

М К N

х 2 2 2 в|.б,ь

X f (

поступающим через открытый первый ключ 5 на вход вычитаемого блока 7 вычитания.

С некоторой задержкой АТ.З, необходимой для завершения операций в блоке 7 вычитания, открывается второй ключ 9, а в блоке 11 деления происходит определение коэффициента готовности сложного технического объекта путем деления значения с выхода блока 7 вычитания, пропорционального

МТэ-(1 -Эщ)х.

М К N

х Ј 2 S tBi,H,

1 7

на значение МТЭ с выхода блока 8 задания суммарного времени эксплуатации объекта, т.е.

5

0

5

0

5

МТэ-(1-Эи,)- 2 i | tBi Г

j g i

МТЭ

которое отображается в цифровом виде блоком 12 индикации.

Таким образом, с заданной доверительной вероятностью определяется истинное значение показателя готовности сложных технических объектов, а не его нижняя граница.

Применение предлагаемого устройства позволяет уменьшить нерациональные экономические затраты, связанные с мероприятиями, направленными на повышение надежности технических объектов как прямыми методами (резервирование, упрощение структуры, снижение нагрузки элементов и т.д), так и косвенными методами (контроль технического состояния, оптимизация ЗИП) для достижения повышенного значения показателя готовности.

Формула изобретения Устройство-для определения показателя готовности сложных технических объектов, содержащее генератор импульсов и в каждом канале моделирования отказов блок

умножения, пороговый элемент и элемент ЗАПРЕТ, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения коэффициента готовности сложных технических объектов для стационарного случайного процесса отказов элементов объектов, в устройство введены первый и второй элементы И, первый накапливающий сумматор, первый и второй ключи, первый элемент за- держки, блок вычитания, блок деления, блок индикации и блок задания суммарного времени эксплуатации объекта, а каждый канал моделирования отказов содержит дополнительно третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой ключи, блоки задания эффективности объекта и периода эксплуатации объекта, второй и третий накапливающие сумматоры, первый и второй генераторы случайных сигналов, счетчик и второй эле- мент задержки, выход блока умножения подключен к информационному выходу канала моделирования отказов, входы первого и второго сомножителей - к выходу соответственно третьего и четвертого клю- чей, информационные входы которых соединены соответственно с выходом блока задания эффективности объекта и второго накапливающего сумматора, а управляющие входы - с управляющим выходом кана- ла моделирования отказов, выходом счетчика и инверсным входом элемента ЗАПРЕТ, прямой вход которого подключен к входу запуска канала моделирования отказов, а выход - к информационному входу пятого ключа, выход которого соединен с управляющими входами шестого и седьмого ключей и с входами запуска первого и второго генераторов случайных сигналов, выходы которых подключены к информаци- онным входам соответственно шестого и седьмого ключей, выход седьмого ключа соединен с входом второго накапливающего сумматора и с первым информационным входом третьего накапливающего сумматора, второй информационный вход которого подключен к выходу шестого ключа, вход сброса - к выходу второго элемента задержки, а выход - к информационному входу порогового элемента, опорный вход которого подключен к выходу блока задания периода эксплуатации объекта, а выход - к управляющему входу пятого ключа, к входу второго элемента задержки и к счетному входу счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса канала моделирования отказов, информационный выход каждого канала моделирования отказов соединен с соответствующим информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого связан с информационным входом первого ключа, управляющий вход которого и вход первого элемента задержки подключены к выходу второго элемента И, выход первого ключа подсоединен к входу вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом блока задания суммарного времени эксплуатации объекта и с входом делителя блока деления, выход которого связан с входом блока индикации, а вход делимого - с выходом второго ключа, информационный вход которого подключен к выходу блока вычитания, а управляющий вход - к выходу первого элемента задержки и к входам сброса каналов моделирования отказов, управляющие выходы которых соединены с входами первого и второго элементов И, а входы запуска каналов моделирования отказов подключены к выходу генератора импульсов, вход остановки которого связан с выходом первого элемента И, а вход пуска является соответствующим входом устройства,

Фиг. 2.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при исследовании стационарных случайных процессов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит группу каналов 1 моделирования отказов, генератор 2 импульсов, элементы И 3, 6, накапливающие сумматоры 4, 17, 24, ключи 5, 9, 14, 16, 19, 21, 23, блок 7 вычитания, блок 8 задания суммарного времени эксплуатации объекта, элементы 10,27 задержки, блок 11 деления, блок 12 индикации, блоки 13 задания эффективности объекта, блоки 15 умножения, элементы ЗАПРЕТ 18, .генераторы 20, 22 случайных сигналов, блоки 25 задания периода эксплуатации объектов, пороговые элементы 26 и счетчики 28. Устройство обеспечивает определение коэффициента готовности сложных технических объектов для стационарного случайного процесса отказов элементов объектов. 2 ил. Ё