Streszczenie
W artykule przedstawiono koncepcj projektu badawczego majcego na celu opracowanie nowej metodyki słucej ocenie wanoci elementów w strukturze nie-zawodnociowej złoonych systemów technicznych. Przedstawiono cele i plan bada, a take przewidywane rezultaty bdce wynikiem projektu.
Słowa kluczowe: miara wanoci, struktura niezawodnociowa, złoony system techniczny 1. Wprowadzenie
Dla oceny wpływu uszkodze elementów systemu na jego niezawodno wprowadzono nie-zawodnociowe miary wanoci. Pomimo zaawansowanego matematycznego (teoretycznego) apa-ratu oceny wanoci, zastosowanie znanych miar wanoci czsto jest ograniczone lub niemoliwe z uwagi na brak pełnych informacji o relacjach w systemie i uszkadzalnoci jego elementów, co czyni znane miary wanoci nieprzydatnymi w odniesieniu do złoonych systemów technicz-nych (CTS) [11], [15].
CTS, w tym siłownie okrtowe s systemami trudnymi w opisie [8], [9], [10], [13] jako, e s obiektami:
• odnawialnymi lub czciowo-odnawialnymi,
• o zmiennej w czasie strukturze funkcjonalnej i niezawodnociowej,
• złoonymi o hierarchicznej strukturze i wielopoziomowych czsto nie znanych sprzeniach zwrotnych,
• o uszkodzeniach elementów czciowo lub całkowicie zalenych,
• dla, których znamy odpowiedzi jedynie na okrelony zakres i charakter wymusze i zakłóce, • z nieznanymi zwizkami nadmiarowoci, które stanowi zbiory pokrywajce si [14],
• których struktura niezawodnociowa pomimo znanych wydzielonych podstawowych elemen-tów funkcjonalnych czsto nie jest znana w całoci lub w znacznej czci.
W zwizku z ograniczon stosowalnoci lub brakiem zastosowania wielu miar wanoci ele-mentów w CTS nasuwa si konieczno opracowania nowoczesnej metodyki pozwalajcej na okrelenie rankingów wanoci elementów i grup elementów w CTS dla zadanych kryteriów wanoci [1], [2], [3], [4], [5], [6], [11], [12], [13], [15], [16], [17], [18], co jest celem realizacji przez autora projektu badawczego.
Opracowana metodyka rozwinie nauk oraz znajdzie zastosowanie w wielu gałziach przemy-słu, co wpłynie na rozwój cywilizacji i społeczestwa korzystajcego w wielu aspektach codzien-nego ycia ze złoonych obiektów eksploatacji.
Jednym ze sposobów pozyskania wiedzy o systemie jest wykorzystanie metod eksperckich, w tym aplikacji prawdopodobiestwa subiektywnego. Dotychczasowe prace naukowe przedstawia-jce wykorzystanie analizy wanoci jako przedmiot analizy wykorzystuje proste teoretyczne sys-temy o niezalenych zdarzeniach i wprowadzonych elementarnych interakcjach z otoczeniem. Wo-bec ewidentnej „niszy” w wymienionym obszarze wiedzy zamierzeniem autora z jest stworzenie całociowej metodyki ilociowo-jakociowej, która pozwoli na znacznie efektywniejsz w porów-naniu wczeniej stosowanych metod, analiz wanoci CTS, co bdzie stanowiło istotny twórczy wkład w rozwój nauki o niezawodnoci.
2. Koncepcja i plan bada
Cel badawczy projektu jakim jest opracowanie nowej całociowej metodyki (w tym miar, me-tod i algorytmów) oceny wanoci elementów i grup elementów w CTS zostanie zrealizowany po-przez wykonanie zada szczegółowych projektu.
Opracowane w ramach projektu miary wanoci bd ujmowały szereg kryteriów wanoci, które nie były uwzgldnione w dotychczas znanych w teorii niezawodnoci miarach wanoci np. Birnbauma, Vesely-Fussella, Parlowa-Proschana, Natviga itp.
Wyjciowa wano elementów zostanie okrelona w oparciu o niezawodno danego elemen-tu Fi(t) oraz ilo cieek zdatnoci xi, w których uczestniczy i-ty element sporód x wszystkich cieek zdatnoci systemu:
]
,
),
(
[
)
(
t
f
F
t
x
x
I
=
i i (1) Wnioskodawca proponuje wprowadzenie miar opisujcych wano elementu z uwzgldnie-niem odpowiednich kryteriów, co zostanie okrelone poprzez wprowadzenie odpowiednich współ-czynników wagowych dla rónych kryteriów, takich jak kryterium nakładu czasu pracy, nakładu udziału personelu, obsługiwalnoci, czasu dostawy czci zamiennych, ekonomiki obsługi oraz bezpieczestwa eksploatacji. Wano elementu mona wówczas opisa pewn funkcj postaci:)]
(
),
(
),
(
),
(
),
(
),
(
,
,
),
(
[
)
(
t
f
F
t
x
x
c
t
c
t
c
t
c
t
c
t
c
t
I
KRYT=
i i t p m s e b (2) Współczynnik wagowy nakładu czasu pracy dla wykonania odnowy elementu przyjto w postaci:)]
(
[
max
)
(
)
(
... 1t
t
t
t
t
c
k n k i t ==
(3) gdzie: ti – redni czas odnowy i-tego elementu.Współczynnik wagowy udziału personelu dla wykonania odnowy elementu przyjto w postaci:
)]
(
[
max
)
(
)
(
... 1p
t
t
p
t
c
k n k i p ==
(4) gdzie: pi – rednia ilo osób niezbdnych do realizacji odnowy i-tego elementuWspółczynnik wagowy obsługiwalnoci w ramach odnowy elementu przyjto w postaci:
)]
(
)
(
[
max
)
(
)
(
)
(
... 1t
t
p
t
t
p
t
t
t
c
k k n k i i o ==
(5) Współczynnik wagowy czasu oczekiwania na czci zamienne dla wykonania odnowy (naprawy) elementu przyjto w postaci:)]
(
[
max
)
(
)
(
... 1s
t
t
s
t
c
k n k i s ==
(6) gdzie: si – redni czas oczekiwania na dostarczenie czci zamiennych dla realizacji odnowy (na-prawy) i-tego elementu.Współczynnik wagowy ekonomiki obsługi elementu przyjto w postaci:
)]
(
[
max
)
(
)
(
... 1m
t
t
m
t
c
k n k i e ==
(7) gdzie: mi – redni całkowity koszt przeprowadzenia obsługi dla i-tego elementuWspółczynnik wagowy bezpieczestwa eksploatacji elementu przyjto w postaci:
)]
(
[
max
)
(
)
(
... 1b
t
t
b
t
c
k n k i b ==
(8) gdzie: bi – prawdopodobiestwo, e uszkodzenie i-tego elementu doprowadzi system do stanu za-groenia bezpieczestwa.Znalezienie odpowiednich postaci funkcyjnych bdzie jednym z zada zrealizowanych w ra-mach projektu. Brak pełnych informacji o relacjach w systemie i uszkadzalnoci poszczególnych elementów systemu zostanie skompensowany modelami jakociowymi (całociowymi – jakocio-wo-ilociowymi) oraz wiedz ekspertów opisan z wykorzystaniem reguł i prawdopodobiestwa subiektywnego.
Opracowane miary zostan zaaplikowane dla przykładowego CTS, którym bdzie siłownia okrtowa morskiego statku transportowego. Koncepcj całociowego podejcia do oceny wanoci elementów i grup elementów w CTS wraz z aplikacj wiedzy ekspertów przedstawiono na rys. 1.
Wyniki analizy zostan ocenione poprzez porównanie uzyskanych rankingów wanoci ele-mentów dla rónych wyjciowych informacji o badanym obiekcie, w tym w szczególnoci:
• znane zgrubne informacje o elementach funkcjonalnych w systemie, • znana struktura niezawodnociowa systemu,
• znana uszkadzalno wybranych elementów i zgrubne relacje pomidzy elementami systemu, • znana struktura niezawodnociowa systemu oraz uszkadzalno wybranych elementów
syste-mu.
Uzyskane wyniki zostan skonfrontowane z wiedz ekspertów. Wskaniki porównawcze uzy-skane w wyniku konsultacji z ekspertami zostan wyznaczone wykorzystujc prawdopodobiestwo warunkowe. Przebieg realizacji projektu badawczego przedstawiono na rys. 2.
Rysunek 1. Proponowana całociowa analiza wanoci, wykorzystujca modele jakociowe i ilociowe
ródło: Opracowanie własne.
Wyniki bada wstpnych [6], [11] wskazuj na słuszno przyjtych załoe i brak moliwo-ci oceny wanomoliwo-ci elementów i grup elementów w strukturze niezawodnomoliwo-ciowej CTS z wykorzy-staniem klasycznej metodyki.
Rysunek 2. Przebieg realizacji projektu prowadzcego do opracowania nowoczesnej całociowej metodyki oceny wanoci elementów i grup elementów w CTS
3. Metodyka bada
Głównym celem projektu jest rozwinicie aktualnego stanu nauki w zakresie niezawodnocio-wej oceny wanoci, co zostanie zrealizowane poprzez opracowanie sformułowa teoretycznych oraz metod, które umoliwiaj ilociow i jakociow ocen wanoci elementów złoonych sys-temów technicznych (CTS). W ramach projektu zostan opracowane i upowszechnione nowe na-rzdzia (algorytmy i specjalistyczne oprogramowanie) do oceny wanoci elementów w CTS. Opracowane narzdzia zostan wykorzystane w ocenie wanoci elementów siłowni okrtowej jako przykład aplikacyjny. W wyniku realizacji projektu powstanie monografia habilitacyjna wy-konawcy. Dotychczas autor zrealizował zadania wstpne, niezbdne dla celów realizacji projektu, takie jak:
• identyfikacja czynników uzasadniajca potrzeb zmodyfikowania narzdzi oceny wanoci elementów i grup elementów w CTS,
• przegld znanych miar wanoci i modeli struktury dla CTS oraz krytyczna analiza literatu-rowa osigni wczeniejszych badaczy tematyki oceny wanoci elementów w CTS, • uporzdkowanie terminologii w zakresie analizy wanoci elementów i opisu struktury
nie-zawodnociowej systemów,
• zebranie danych statystycznych o uszkodzeniach elementów systemów siłowni okrtowych. Główny cel projektu zostanie zrealizowany poprzez wykonanie poszczególnych zada szcze-gółowych, którymi s:
• opracowanie nowych miar wanoci elementów systemu dla rónych kryteriów wanoci (w tym obsługiwalnoci i ekonomicznoci eksploatacji) stanowicych alternatyw dla obecnie stosowanych miar wanoci.
• opracowanie nowych modeli (sposobu opisu) struktury niezawodnociowej i rezerwowania w CTS, m.in. poprzez wdroenie autorskich propozycji wykorzystania płaszczyzny liczb ze-spolonych [7], zastosowanie wektora zdarze zewntrznych [9], [10] i zastosowanie zmody-fikowanej miary rezerwowania Jawiskiego-Smalko [14];
• opracowanie całociowego podejcia do oceny wanoci elementów systemu poprzez zasto-sowanie modeli ilociowo-jakociowych; ocena wanoci elementów proponowanymi meto-dami dla wybranych systemów technicznych (egzemplifikacja na przykładzie siłowni okrto-wej);
• ocena wpływu zastosowanej metodyki i doboru miar wanoci na uzyskane rankingi wanoci elementów i grup elementów poprzez wzajemne porównanie uzyskanych rankingów;
• dyskusja na temat znanych i nowo opracowanych metod oceny wanoci elementów w struk-turze niezawodnociowej systemów oraz przykłady egzemplifikacyjne;
• budowa ogólnego algorytmu oceny wanoci elementów, w tym doboru metodyki i miar dla oceny wanoci w zalenoci od posiadanych informacji;
Podstaw naukowego warsztatu wykonawcy projektu, potrzebnego do realizacji postawionych w ramach projektu zada, stanowi:
• znajomo teorii niezawodnoci oraz zagadnie fizyki uszkodze, bezpieczestwa i eksploat-acji systemów technicznych, w ramach których koncentruj si zainteresowania naukowe wnioskodawcy;
• znajomo zagadnie teorii prawdopodobiestwa i statystyki matematycznej;
• dowiadczenie w ocenie niezawodnoci i gotowoci złoonych systemów technicznych, które autor zebrał i rozwin w ramach pracy magisterskiej, rozprawy doktorskiej, zrealizowanych projektów i aktualnie kierowanego przez wnioskodawcc tematu bada statutowych;
• due dowiadczenie w zakresie znajomoci problemów eksploatacji CTS (siłowni okrto-wych), w zwizku z kilkuletnim dowiadczeniem zawodowym jako inynier mechanik okr-towy;
• dowiadczenie w korzystaniu z niezawodnociowych baz danych, w tym NRPD, OREDA, CTO, NSWC, IAEA itp.;
• umiejtno obsługi profesjonalnych pakietów do analizy niezawodnociowej, w tym Iso-graph Reliability Workbench, IsoIso-graph Isolib Parts, CARA Fault Tree, Raptor, Galileo itd.; • znajomo arkusza kalkulacyjnego Microsoft Excel, w którym realizowane s analizy
porów-nawcze;
• przeprowadzone przez wnioskodawc wstpne badania uzasadniajce potrzeb realizacji pro-jektu;
• opracowane przez wnioskodawc programy komputerowe wspomagajce analizy niezawod-nociowe, m.in. Bramki, Przekroje, Wano ;
• zebrana przez wnioskodawc dua ilo danych statystycznych o uszkodzeniach w CTS (si-łownie okrtowe i ich podsystemy);
• dowiadczenie wnioskodawcy w prowadzeniu analiz niezawodnocioweych oraz budowie modeli struktury niezawodnociowej i metod analizy wanoci elementów oraz gotowoci i niezawodnoci CTS.
W ramach bada przedmiotem analizy bdzie siłownia okrtowa statku transportowego jako przykład CTS. Pierwszym etapem bada było rozeznanie tematyki, kolejne działania bd polegały na opracowaniu nowych miar wanoci i algorytmów postpowania w ocenie wanoci elementów i grup elementów w CTS, co zostanie zrealizowane metodami syntezy aktualnych miar wanoci oraz z ilociowych i jakociowych charakterystyk niezawodnoci obiektu bada. Uzyskane miary wykorzystane zostan do oszacowania wartoci wanoci i zbudowania rankingów wanoci ele-mentów. Brak pełnych informacji o systemie zostanie skompensowany poprzez uzupełnienie tych informacji korzystajc z bazy wiedzy (informacje zbierane na bieco z systemu oraz wiedza eks-pertów). Wiedza ekspertów zostanie wprowadzona do analizy z wykorzystaniem osigni teorii prawdopodobiestwa subiektywnego. Jako wyniki porównawcze sporzdzone zostan analogiczne rankingi w oparciu o znane dotychczas miary wanoci elementów.
W ramach projektu dokonane bdzie porównanie uzyskanych rankingów z poszczególnych analiz wanoci dla rónych wyjciowych danych o obiekcie analizy. Porównanie zostanie skwan-tyfikowane poprzez obróbk statystyczn wyników uzyskan w oparciu o poszczególne miary wanoci.
W badaniach zostanie wykorzystane profesjonalne oprogramowanie do analizy niezawodno-ciowej znanych na całym wiecie firm: Isograph Software (Reliability Workbench, biblioteki Iso-lib) oraz Sydvest Software (Fault Tree Analysis Academic Version), a take autorskie programy wykonawcy projektu. Analizy porównawcze realizowane w ramach projektu bd wykonane z wy-korzystaniem arkusza kalkulacyjnego MS Excel. Wszystkie wymienione programy s w posiadaniu wnioskodawcy projektu.
W ramach realizacji projektu zostanie opracowane nowoczesne oprogramowanie słuce do analizy wanoci CTS, w którym zaimplementowana zostanie proponowana całociowa meto-dyka oceny wanoci.
4. Wnioski kocowe
Realizacja projektu przyczyni si w sensie naukowym do opracowania nowoczesnych metod, modeli i miar, które pozwol na ocen wanoci elementów w strukturze niezawodnociowej CTS. Podadto realizacja projektu przyczyni si do: krytycznej oceny aktualnych osigni naukowych w dziedzinie analizy wanoci; porównania i oceny przydatnoci rónych metod oceny i miar wa-noci; wypracowania algorytmu racjonalnej oceny wanoci elementów i grup elementów w CTS w zalenoci od posiadanych o systemie informacji oraz ujednolicenia terminologii w obszarze analizy wanoci
W wyniku realizacji projektu uzyska si szereg wyników statystycznych przydatnych w dal-szych badaniach, takich jak: dane o uszkodzeniach elementów analizowanych CTS, oszacowanie niezawodnoci i gotowoci analizowanych CTS, rankingi wanoci elementów w analizowanych CTS oraz porównanie wyników oceny wanoci uzyskanych rónymi metodami i dla rónych kry-teriów wanoci systemu.
Wobec podstawowego charakteru opracowanych w ramach projektu zagadnie, realizacja pro-jektu pozwoli na opracowanie metodyki rozwijajcych nauk oraz znajdujcych zastosowanie w wielu gałziach przemysłu. Dziki interdyscyplinarnoci zagadnie bdcych przedmiotem pro-jektu, wykonanie zada czstkowych wpłynie na rozwój cywilizacji i społeczestwa korzystajce-go w wielu aspektach codziennekorzystajce-go ycia ze złoonych obiektów eksploatacji. Rezultaty mog by zastosowane w projektowaniu nowych systemów oraz w eksploatacji systemów istniejcych (ocena stanu technicznego systemu, opracowanie procedur eksploatacyjnych i modyfikacja systemu w celu podwyszenia niezawodnoci).
W odniesieniu do CTS (m.in. siłowni okrtowych) realizacja projektu da utylitarne rezultaty, dziki opracowanej metodyce przydatnej dla:
• wspomagania personelu zarzdzajcego CTS jako narzdzie oceny wdraanych i bdcych w uyciu harmonogramów przegldów maszyn i urzdze oraz dla opracowania nowych ra-cjonalnych harmonogramów;
• wspomagania eksploatatorów CTS diagramom, wykresom, priorytetowym listom sprawdze oraz procedurom eksploatacyjnym tworzonym w oparciu o wyniki analizy wanoci elemen-tów w strukturze niezawodnociowej systemu.
Wymiernym rezultatem projektu bdzie publikacja wyników bada i przydatnoci opracowa-nych modeli. Wkład twórczy bdcy rezultatem niniejszego projektu zostanie upowszechniony w publikacjach naukowych o zasigu krajowym i wiatowym, przedstawiony na polskich i
zagra-nicznych konferencjach tematycznych ("Fizyka uszkodze", "Risk, Quality, Reliability" itp.) oraz finalnie wydanie monografii naukowej wykonawcy projektu (publikacja ksikowa o objto-ci ok. 10 arkuszy wydawniczych, jako miejsce wydania przewiduje si wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu). Zebrany w ramach projektu materiał bdzie podstaw do uzyskania habilitacji przez wykonawc projektu.
%LEOLRJUDILD
[1] Andrews J. D.: Birnbaum and criticality measures of component contribution to the failure of phased missions. Reliability Engineering and System Safety, 93 (2008), s. 1861–1966. [2] Barlow R. E., Proschan F.: Importance of system components and fault tree events.
Stochas-tic Processes and their Applications, Vol. 3, 1975, s. 153–173.
[3] Birnbaum Z. W.: On the importance of different components in a multicomponent system. in Krishnaiah PR, editor, Multivariate analysis-II, New York, NY, USA; Academic Press: 1969. s. 581–92.
[4] Borgonovo E., Apostolakis G.E.: A New importance measure for risk-informed decision making. Reliability Engineering and System Safety, 72 (2001), s. 193–212.
[5] Borgonovo E, Apostolakis G.E., Tarantola S., Saltelli A.: Comparison of global sensitivity analysis techniques and importance measures in PSA. Reliability Engineering and System Safety 79 (2003), s. 175–185.
[6] Chybowski L., Matuszak Z.: Reliability Importance Analysis Of Technical Systems Ele-ments. Proceedings of V-th International Conference Safety Management at Sea and Mari-time Specialist Training SSN 2005. BGARF, Kaliningrad 2006. s. 126–129.
[7] Chybowski L., Matuszak Z.: A Particular Model of Redundancy Useful in the Assessment of Operational Reliability and Safety of a Dynamic Positioning System of an Offshore Ves-sel. Polish Journal of Environmental Studies, 2006, Vol. 15, No. 4B, s. 27–34.
[8] Chybowski L.: Azimuth Thruster Hydraulic Instalations Reliability Model. BAME, KGTU, Kaliningrad 2006, s. 103–109
[9] Chybowski L.: Assessment of Reliability and Availability of Fishing Vessels Power, Pro-pulsion and Technological Plants Based on Fault Tree Analysis. Polish Journal of Environ-mental Studies, 2009, Vol. 18, No. 2A, s. 39–44.
[10] Chybowski L.: Application of External Events Vectors for Defining Reliability Structure of Fishing Vessels Power, Propulsion and Technological Plants. Polish Journal of Environ-mental Studies, 2009, Vol. 18, No. 2A, s. 45–50. [ISSN 1230-1485]
[11] Chybowski L., Matuszak Z.: Reliability importance analysis of marine technical systems el-ements. Autobusy 6/2010. CD-ROM.
[12] Espiritu J.F., Coit d.W., Prakash U.: Component criticality importance measures for the power industry. Electric Power Systems Research 77 (2007) 407–420.
[13] Jawiski J., Borgo J.: Niezawodno eksploatacyjna i bezpieczestwo lotów. WKiŁ, Warszawa 1989.
[14] Jawiski J., Smalko Z.: Rozwaania na temat właciwoci systemów nadmiarowych. VIII Konferencja Okrtownictwo i Oceanotechnika, Perspektywy rozwoju systemów transporto-wych. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczeciskiej, Szczecin 2006.
[15] Karpiski J., Korczak E.: Motody oceny niezawodnoci dwustanowych systemów technicz-nych. Instytut Bada Systemowych PAN, Omnitech Press, Warszawa 1990, s. 162–165. [16] Kim K., Han S.: A study on importance measures and a quantification algorithm in a fire
PRA model. Reliability Engineering and System Safety 94 (2009), s. 969–972.
[17] Meng F.C.: Relationships of Fussell–Vesely and Birnbaum importance to structural im-portance in coherent systems. Reliability Engineering and System Safety 67 (2000), s. 55– 60.
[18] Vesely W.E.: Supplemental viewpoints on the use of importance measures in risk-informed regulatory applications, Reliability Engineering and System Safety 60 (1998), s. 257–259.
QUALITATIVE-QUANTITATIVE ANALYSIS IF COMPONENTS IMPORTANCE IN SYSTEMS’ RELIABILITY STRUCTURE
Summary
Paper presents conception of research project for development of new method-ology for components importance in the reliability structure of complex technical systems. Main aims of project, research plan and final results have been shown. Keywords: importance measure, reliability structure, complex technical system Leszek Chybowski
Zakład Siłowni Okrtowych
Instytut Eksploatacji Siłowni Okrtowych Wydział Mechaniczny
Akademia Morska w Szczecinie
ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-750 Szczecin e-mail: l.chybowski@am.szczecin.pl
