Evaluation of safety and reliability parameters of supervision and control systems
Dependability
View Archive Info| Field | Value | |
| Title |
Evaluation of safety and reliability parameters of supervision and control systems
Оценка параметров безопасности и безотказности систем контроля и управления |
|
| Creator |
O. Makoveev L.; Radioavionica
S. Kostyunin Yu.; Radioavionica О. Маковеев Л.; ОАО «Радиоавионика» С. Костюнин Ю.; ОАО «Радиоавионика» |
|
| Subject |
functional safety; reliability; supervision; diagnostics; wrong-side failure; right-side failure; failure rate
функциональная безопасность;безотказность;контроль;диагностика;опасный отказ;защитный отказ;интенсивность отказов |
|
| Description |
The aim of this article is the analytical evaluation of dependability and reliability indicators of vital facility supervision and control systems. Such indicators include: probability of no-failure, collective failure rate, wrong-side and right-side failure rate, average service life. The article considers systems with different redundancy rates (2-oo-2, 2-oo-3, 2-oo-2-by-2) ensuring recovery of failed equipment (channels) without interruption of operation. The paper covers such safety and reliability mechanisms as interchannel data comparison, mutual channel blocking and protection against negative failure development by mutual channel blocking.Methods. For the purpose of achieving the set goal, the article suggests a mathematical functional model based on absorbing homogenous Markovian continuous-time chains. The states of this chain reflect the number of good channels of the system, while state transition rates are identified based on the equipment failure rates of each channel and repair rates (subject to the mechanisms of interchannel data comparison and failed channel blocking). The absence of protection can be caused by such events as non-detection of failure by supervision facilities, disability of blocking mechanisms, protection tripping delay. In such case the failure of a channel (channels) causes the failure of the whole system and forces the Markovian chain into the absorbing state. The probabilities of transition into the absorbing state are divided into the probabilities of transition into state of right-side failure and state of wrong-side failure. As a failure occurrence in a situation of absent guaranteed protection against its possible negative consequences in a system that continues operating may cause undue inputs to the system’s executive mechanisms and on the assumption of the worst case scenario we deem such failure to be a wrong-side one. The used methods allow finding the probabilities of each state of the chain by solving a system of Kolmogorov-Chapman differential equations. Based on the given probabilities, the collective failure rate and average service life are identified along with the right-side and wrong-side failure rates. In order to ensure the usability of the presented methods, the authors provide approximate formulas of failure rates and approximation errors.Results. A mathematical model of operation of a multichannel microprocessor system has been developed. Formulas for calculation of system state probabilities, average service life, wrong-side and right-side failure rates have been obtained that allow evaluating the safety and fault tolerance of various systems with hot standby and in-operation operability recovery capabilities. The given formulas for calculation of system state probabilities allow increasing the number of safety and reliability indicators, if needed. The article presents the feasibility of simplified calculation of failure rates.Conclusions. The formulas given in the article can be used for evaluation of reliability, safety and longevity indicators of microprocessor-based supervision and control circuits of vital facilities (ship-borne technical facilities, trackside equipment in railway stations and open lines, fixed power facilities, etc.). In the development process they allow finding the rational system organization by means of comparative evaluation of performance of structures with various degrees of redundancy. In the context of system adaptation for application in various facilities as well as its modernization the formulas in question enable analytical calculation of the above indicators.
Цель данной работы – получение аналитических оценок показателей безопасности и безотказности систем контроля и управления ответственными объектами. К таким показателям относятся: вероятность безотказной работы, общая интенсивность отказов, интенсивность опасных и защитных (безопасных) отказов, средний срок службы. В работе рассматриваются системы с различной избыточностью («2 из 2», «2 из 3», «2 по 2»), допускающие возможность восстановления отказавшей аппаратуры (каналов) без прекращения функционирования, учитываются такие механизмы обеспечения безопасности и безотказности, как межканальное сравнение данных и защита от негативных проявлений отказов путём взаимной блокировки каналов.Методы. Для достижения поставленной цели в работе предложена математическая модель функционирования на основе поглощающих однородных цепей Маркова с непрерывным временем. Состояния данной цепи отражают число исправных каналов системы, а интенсивности переходов между состояниями определяются на основе интенсивностей отказов аппаратуры каждого канала и интенсивности восстановления (с учетом работы механизмов межканального сравнения данных и блокировки функционирования неисправного канала). Отсутствие защиты может быть связано с такими событиями, как: необнаружение отказа средствами контроля, неработоспособность механизма блокировки, задержка срабатывания защиты. В этом случае выход из строя канала (каналов) приводит к отказу всей системы и переводит цепь Маркова в поглощающее состояние. Вероятности перехода в поглощающее состояние разделяются на вероятности перехода в состояние защитного отказа и состояние опасного отказа. Поскольку появление отказа при отсутствии гарантированной защиты от возможных негативных последствий при продолжении функционирования может привести к неправомерным воздействиям на исполнительные органы системы, то, основываясь на пессимистическом подходе, считаем такой отказ опасным. Используемые методы позволяют найти вероятности каждого состояния цепи путём решения системы дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена. На основе данных вероятностей определяется общая интенсивность отказов и средний срок службы, а также интенсивности защитного и опасного отказов. Для обеспечения удобства применения представленных методов приведены приближенные формулы интенсивностей отказов и погрешности приближений.Результаты. Построена математическая модель функционирования многоканальных микропроцессорных систем. Получены формулы расчета вероятностей состояний систем, среднего срока службы, интенсивностей опасных и защитных отказов, позволяющие оценить безопасность и отказоустойчивость различных систем с горячим резервированием и возможностью восстановления работоспособности в процессе функционирования. Приведённые формулы для расчёта вероятностей состояний систем позволяют расширить число показателей безопасности и безотказности, при необходимости. Представлена возможность упрощённого вычисления интенсивностей отказов.Выводы. Приведённые в работе формулы могут быть использованы для оценки показателей безотказности, безопасности и долговечности микропроцессорных систем контроля и управления ответственными объектами (судовыми техническими средствами, напольным оборудованием на железнодорожных станциях и перегонах, стационарными энергетическими установками и др.). В процессе разработки они позволяют найти рациональную организацию системы путём сравнительной оценки показателей структур с различной избыточностью. При адаптации системы для использования на различных объектах и при её модернизации данные формулы позволяют провести аналитический расчёт указанных выше показателей. |
|
| Publisher |
LLC Journal Dependability
|
|
| Contributor |
—
— |
|
| Date |
2017-03-21
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion — — |
|
| Format |
application/pdf
application/pdf |
|
| Identifier |
http://www.dependability.ru/jour/article/view/198
10.21683/1729-2646-2017-17-1-46-52 |
|
| Source |
Dependability; Том 17, № 1 (2017); 46-52
Надежность; Том 17, № 1 (2017); 46-52 2500-3909 1729-2646 10.21683/1729-2646-2017-17-1 |
|
| Language |
rus
eng |
|
| Relation |
http://www.dependability.ru/jour/article/view/198/360
http://www.dependability.ru/jour/article/view/198/371 Некоторые положения отказобезопасности и киберзащищенности систем управления / В. А. Гапанович, Е. Н. Розенберг, И. Б. Шубинский // Надежность.- 2014. – № 2. – С. 88-100 ГОСТ Р 27. 002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. ГОСТ Р 51901.5-2005 (МЭК 60300-3-1:2003) Руководство по применению методов анализа надежности. ГОСТ Р МЭК 62061-2013 Безопасность оборудования. Функциональная безопасность систем управления электрических, электронных и программируемых электронных, связанных с безопасностью Системы автоматики и телемеханики на железных дорогах мира, под ред.Г.Теега, С.Власенко. ISBN 978-5-89277-098-9,М.: «Интекст», 2010, 496 с. Авакян А.А. Создание сверхнадёжных электронных систем для аэрокоосмической техники // Контроль. Диагностика. – 2013. – №2. С 67-75. Г. Х. Новик, “О достоверности сигнатурного анализа”, Автомат.и телемех., 1982, № 5, С. 157–159 Гольдштейн В. Б. Миронов С. В. Хеш-функции для сокращения диагностической информации. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика, Выпуск№ 2 / том 7 / 2007 Иыуду К.А. Надёжность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем. М: Высшая школа,1989. с. 145 – 166. |
|
| 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). |
|