Record Details

Description of approach to estimating survivability of complex structures under repeated impacts of high accuracy

Dependability

View Archive Info
 
 
Field Value
 
Title Description of approach to estimating survivability of complex structures under repeated impacts of high accuracy
Описание подхода к оценке живучести сложных структур при многоразовых воздействиях высокой точности
 
Creator G. Cherkesov N.; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia
A. Nedosekin O.; National Mineral Resources University “Gorny”, St. Petersburg, Russia
Г. Черкесов Н.; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
А. Недосекин О.; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия
 
Subject survivability; vitality; resilience; risk; negative impact; survivability margin; law of vulnerability; function of survivability
живучесть;витальность;устойчивость;риск;неблагоприятное воздействие;запас живучести;закон уязвимости;функция живучести
 
Description Aim. The paper describes main concepts and definitions, survivability indices, methods used to estimate survivability in different external and internal conditions of application of technical systems, including the studies in the field of structural survivability obtained 30 years ago within the frames of the Soviet school of sciences. An attempt is made to overcome different technical understanding of survivability, which has been developed in the number of industries up to date – in ship industry, aviation, communication networks, energy, in defense industry. The question of succession between the properties of technical survivability and global system resilience is considered. Technical survivability is understood in two basic notions: а) as the system property to withstand negative external impacts (NI); b) as the system property to recover its operability after a failure or accident caused by external reasons. This paper considers the relation between the structural survivability when the system operability logic is binary, and is described by a logical function of operability, and the functional survivability when the operation of the system is described by the criterion of functional efficiency. Then the system failure is a decline in its efficiency below a preset value.Methods. The technical system is considered as a controlled cybernetic system, which has specialized aids to ensure survivability (SAs). Logical and probabilistic methods and results of combinatorial theory of random placements are used in the analysis. It is supposed that: а) negative impacts (NI) are occasional and single-shot (one impact affects one element); b) each element of the system has binary logic (operability – failure) and zero resistance, i.e. it is for sure affected by one impact. Henceforth this assumption is generalized for the r-time NI and L- resistant elements. The paper also describes different variants of non-point models when the system part or the system as a whole are exposed to a group affection of the specialized type. The article also considers the variants of combination of reliability and survivability when failures due to internal and external reasons are analyzed simultaneously.Results. Different variants of affection and functions of survivability of technical systems are reproduced. It has been educed that these distributions are based on simple and generalized Morgan numbers, as well as Stirling numbers of the second kind that can be reestablished on the basis of simplest recurrence relations. If the assumptions of a mathematical model are generalized in case of n the r-time NI and L-resistant elements, the generalized Morgan numbers used in the estimation of affection law are defined based on the theory of random placements, in the course of n-time differentiation of a generator polynomial. In this case it is not possible to set the recurrent relation between the generalized Morgan numbers. It is shown that under uniform assumptions in relation to a survivability model (equally resistant system elements, equally probable NI) in the core of relations for the function of survivability of the system, regardless of the affection law, there is a vector of structure redundancy F (u), where u is a number of affected elements, and F (u) is a number of operable states of the technical system with u failures.Conclusions: point survivability models are a perfect tool to perform an express-analysis of structural complex systems and to obtain approximate estimates of survivability functions. Simplest assumptions of structural survivability can be generalized for the case when the logic of system operability is not binary, but is specified by the level of the system efficiency. In this case we should speak about functional survivability. PNP computational difficulty of the task of survivability estimation does not allow solving this task by means of a simple enumerating of states of the technical system and variants of NI. It is necessary to find the ways to avoid the complete search, as well by the conversion of the system operability function and its decomposition. survivability property should be designed and implemented into a technical system with consideration of how this property is ensured in biological and social systems.
Цель. Рассматриваются основные понятия и определения, показатели живучести, методы оценки живучести в различных внешних и внутренних условиях применения технических систем. В том числе, обозреваются наработки в области структурной живучести, полученные 30 лет назад, в рамках советской научной школы. Делается попытка преодолеть различное понимание технической живучести, которое к сегодняшнему моменту сложилось по ряду отраслевых направлений – в судостроении, авиации, сетях связи, в системах энергетики, в оборонном ведомстве. Также рассматривается вопрос об установлении отношений преемственности между свойством технической живучести и свойством глобальной системной устойчивости. Техническая живучесть понимается в двух базовых значениях: а) как свойство системы сопротивляться негативным внешним воздействиям (НВ); б) как свойство системы восстанавливать свою работоспособность после отказа или аварии, вызванных внешними причинами. В работе рассматривается связь между структурной живучестью, когда логика работоспособности системы бинарна и описывается логической функцией работоспособности, и функциональной живучестью, когда работа системы описывается критерием функциональной эффективности. Тогда отказ системы – это падение уровня её эффективности ниже заранее предустановленного значения.Методы. Техническая система рассматривается как управляемая кибернетическая система, которой приданы специализированные средства обеспечения живучести (СОЖ). В анализе использованы логико-вероятностные методы и результаты комбинаторной теории случайных размещений. Предполагается: а) НВ являются точечными и однократными (за одно воздействие поражается ровно один элемент); б) каждый элемент системы обладает бинарной логикой (работоспособность – отказ) и нулевой стойкостью, то есть гарантировано поражается за одно воздействие. В последующем, данное допущение обобщается на случай r-кратного НВ и L-стойких элементов. Также в работе рассматриваются варианты неточечных моделей, когда часть системы или система в целом подвергаются групповому поражению специализированного типа. Рассмотрены варианты сочетания свойств надёжности и живучести, когда анализу подвергаются одновременно отказы по внутренним и по внешним причинам.Результаты. Воспроизведены различные варианты законов поражения и функций живучести технических систем. Выявлено, что в основе этих распределений лежат простые и обобщённые числа Моргана, а также числа Стирлинга второго рода, которые могут быть восстановлены на основе простейших рекуррентных соотношений. Если допущения математической модели обобщаются на случай n r-кратных НВ и L-стойких элементов, то обобщённые числа Моргана, участвующие в оценке закона поражения, определяются на основе теории случайных размещений, в ходе n-кратного дифференцирования производящего полинома. В этом случае установить рекуррентное соотношение между обобщёнными числами Моргана не представляется возможным. Показано, что при однородных допущениях к модели живучести (равностойкие элементы системы, равновероятные НВ) в ядре соотношений для функции живучести системы, вне зависимости от закона поражения, находится вектор структурной избыточности F(u), где u – число поражённых элементов, F (u) – число работоспособных состояний технической системы при u отказах.Выводы: точечные модели живучести являются превосходным инструментом для экспресс-анализа структурно-сложных систем и для получения приближённых оценок функций живучести. Простейшие допущения структурной живучести могут быть обобщены на случай, когда логика работоспособности системы не является бинарной, но обуславливается уровнем эффективности функционирования системы. В этом случае надо говорить о функциональной живучести. Вычислительная трудность PNP задачи оценки живучести не позволяет решать её путём простейшего перебора состояний технической системы и вариантов НВ, необходимо искать пути отхода от полного перебора, в том числе за счёт преобразования функции работоспособности системы и её декомпозиции. Проектирование и внедрение свойства живучести в техническую систему должно проходить с оглядкой на то, как такое свойство обеспечено в биологических и социальных системах.
 
Publisher LLC Journal Dependability
 
Contributor —
—
 
Date 2016-09-13
 
Type info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
—
—
 
Format application/pdf
application/pdf
 
Identifier http://www.dependability.ru/jour/article/view/148
 
Source Dependability; № 2 (2016); 3-15
Надежность; № 2 (2016); 3-15
1729-2646
 
Language rus
eng
 
Relation http://www.dependability.ru/jour/article/view/148/293
http://www.dependability.ru/jour/article/view/148/303
ГОСТ 19176-80. Системы управления техническими средствами корабля. Термины и определения.
Словарь по кибернетике. Под ред. В.М. Глушкова. – Киев: Главная ред. Укр. сов. энциклопедии, 1979.
Большая советская энциклопедия, том 9. – М.: Советская энциклопедия, 1972. – 570 с.
Надежность систем энергетики: Терминология. Сборник рекомендуемых терминов. – Вып.95. – М.: Наука, 1980. – 42 с.
Горшков В.В. Логико-вероятностный метод расчета живучести сложных систем. – АН УкрССР, Кибернетика, 1982, №1. – С.104-107.
Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. – М.: Наука, 1986. – 252 с.
Волик Б.Г., Рябинин И.А. Эффективность, надежность и живучесть управляющих систем // Автоматика и телемеханика. – 1984. – № 12.
Рябинин И.А., Черкесов Г.Н. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. – М.: Радио и связь, 1981. – 238 с.
Черкесов Г.Н. Методы и модели оценки живучести сложных систем. – М.: Знание, 1987. – 55 c. – Также на сайте: http://www.gcherkesov.com/articles/article02.pdf .
Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. – СПб: Питер, 2005. – 480 с.
Руденко Ю.Н., Ушаков И.А., Черкесов Г.Н. Надежность систем энергетики и их оборудования. Справочник в 4-х томах под общей редакцией Ю.Н. Руденко. Том 1. Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики. – М.: Госатомиздат, 1994. – 474 с..
Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. – М.: Машиностроение, 1973. – 240 c.
Рябинин И.А. Три кита ВМФ: Надежность, живучесть, безопасность. – Новочеркасск: Темп, 2006. – 116 с.
Симаков И.П., Мерзляков В.А. Выбор функционально-алгоритмической структуры систем управления движением корабля по критериям отказобезопасности и надежности – Судостроительная промышленность. Серия «Автоматика и телемеханика», вып. 5, 1987, с. 52 – 60.
Недосекин А.О. О проявлении свойства «витальность» в технических, экономических и социальных системах. – На сайте: http://an.ifel.ru/docs/Vitality_110416.pdf .
Marsh T. (ed.). Critical Foundations: Protecting America’s Infrastructures. Technical report, President’s Commission on Critical Infrastructure Protection, October 1997.
Muller G., Koslowski T. and Accorsi R. Resilience – a New Research Field in Business Information Systems? – On site: http://www2.informatik.uni-freiburg.de/~accorsi/ papers/bis13.pdf.
Инициатива ResiliNets (Канзасский университет и университет Ланкастер, США). – На сайте: https://wiki.ittc.ku.edu/resilinets/Main_Page.
Недосекин А.О., Рейшахрит Е.И. Мобилизационная экономика по-русски. – СПб: СПбГГУ, 2013. – Также на сайте: http://an.ifel.ru/docs/Mob_AN_ER.pdf .
Недосекин А.О. Применение теории случайных размещений к анализу живучести технических систем // Кибернетика АН УССР. 1991. №6.
Недосекин А.О., Черкесов Г.Н. Оценка живучести энергосистемы в условиях забастовок // Надёжность и контроль качества, 1992, № 11. – С. 51 – 62.
Nedosekin A.O., Abdoulaeva Z.I. Mobilized economy fuzzy model // Proceedings of International Conference on Soft Computing and Measurements, SCM 2015, 7190479, pp. 267-268.
 
Rights Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
Авторы, публикующие в данном журнале, соглашаются со следующим:Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договорённости, касающиеся не-эксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге), со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.Авторы имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access).