Программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем АРБИТР (ПК АСМ СЗМА), базовая версия 1.0

Надежность и безопасность современных организационных и технических систем являются важной составляющей их качества и необходимым условием обеспечения надежности и безопасности производственных объектов. Оценка надежности и безопасности АСУТП предусмотрена требованиями государственных и международных стандартов и нормативных документов. Готовность организаций и предприятий, разрабатывающих и эксплуатирующих различные организационные и технические системы объектов современной промышленности, выполнять анализ их надежности и безопасности является обязательным условием государственной и международной сертификации. Главная цель такого анализа - своевременное получение достоверной информации о свойствах надежности и безопасности систем, необходимой для выработки, обоснования и реализации эффективных проектных и эксплуатационных решений.

Для проведения этих работ в ОАО "СПИК СЗМА" создано программное средство – "Программный комплекс АРБИТР (ПК АСМ СЗМА), базовая версия 1.0"", основанное на общем логико-вероятностном методе (ОЛВМ) системного анализа и реализующее новую информационную технологию автоматизированного структурно-логического моделирования (АСМ) и высокоразмерных систем. АРБИТР предназначен для:
• автоматизированного моделирования и расчета показателей надежности структурно-сложных систем, включая объекты использования атомной энергии (ОИАЭ) и другие опасные производственные объекты (ОПО);
• автоматизированного моделирования и расчета вероятностей возникновения (невозникновения) аварийных ситуаций и аварий ОПО, включая ОИАЭ.

В настоящее время комплекс АРБИТР позволяет автоматически строить математические модели и рассчитывать показатели свойств надежности, стойкости, живучести, устойчивости, технического риска, ожидаемого ущерба и эффективности функционирования структурно-сложных систем различных видов, классов и назначения. В АРБИТР используется новое логически универсальное графическое средство структурного описания исследуемых свойств систем – схема функциональной целостности (СФЦ). Логическая полнота аппарата СФЦ обеспечена использованием впервые реализованного полного набора операций "И", "ИЛИ" и "НЕ". Это позволило применять в АРБИТР как все существующие монотонные технологии моделирования надежности и безопасности систем (блок-схемы, графы связности, деревья отказов и деревья событий), так и новую технологию автоматизированного построения немонотонных моделей сложных системных объектов и процессов.

Результаты аттестации программного комплекса АРБИТР.

В 2004-2005 г.г. тремя организациями – СПбАЭП, ОАО "СПИК СЗМА" (Санкт-Петербург) и ИПУ РАН (Москва) была выполнена совместная научно-исследовательская работа – "Сравнительный анализ технологий деревьев отказов и автоматизированного структурно-логического моделирования, используемых при выполнении работ по вероятностному анализу надежности и безопасности АЭС и АСУТП на стадии проектирования" (шифр "Технология 2004"). В данной НИР был выполнен сравнительный анализ трех технологий, реализованных в программных комплексах "Risk Spectrum" (Швеция), "Relex" (США) и "ПК АСМ СЗМА" (АРБИТР, РФ). По результатам этой НИР данными организациями было сделано следующее общее заключение: "Считаем целесообразным, объединить усилия организаций-исполнителей данной работы и приступить к разработке на базе ОЛВМ, технологии и ПК АСМ СЗМА отечественных специализированных программных комплексов автоматизированного структурно-логического статического и динамического моделирования, расчета показателей и оптимизации надежности, безопасности и риска функционирования сложных систем для различных отраслей промышленности." Отчет о научно-исследовательской работе.

В период с 2005 по 2007 год программный комплекс АРБИТР успешно прошел официальную процедуру аттестации в "Совете по аттестации программных средств" Научно-технического центра по ядерной и радиационной безопасности (НТЦ ЯРБ) Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) РФ. В Отчете о верификации (1031 стр. - 14,5 МБ, zip), пяти экспертам были представлены решения 10 расчетно-аналитических тестов и 5 контрольных примеров, включающих 204 задачи. Проверка правильности решений тестовых и контрольных задач, полученных с помощью комплекса АРБИТР, осуществлялась экспертами в соответствии с требованиями Положения об аттестации программных средств, применяемых при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии (РД-03-17-2001, Госатомнадзора России). В ходе аттестации у экспертов не было ни одного замечания по правильности решения с помощью АРБИТР всех 204 задач расчетно-аналитических тестов и контрольных примеров. На основании результатов экспертизы на программное средство "Программный комплекс АРБИТР (ПК АСМ СЗМА), базовая версия 1.0" выдан Аттестационный паспорт Ростехнадзора РФ № 222 от 21 февраля 2007 г. АРБИТР является четвертым аттестованным в РФ комплексов указанного назначения (ране были аттестованы комплексы "Risk Spectrum" (Швеция), "РИСК", "CRISS-4.0" (РФ), реализующие только технологию деревьев отказов и деревьев событий и выполняющие только приближенные расчеты показателей). При этом АРБИТР является первым аттестованным Ростехнадзором РФ отечественным программным средством анализа надежности и безопасности систем, основанном на ОЛВМ, реализующим технологию АСМ и выполняющим точные расчеты основных показателей. АРБИТР аттестован сроком на 10 лет и разрешен к применению на предприятиях Ростехнадзора РФ. Аттестационный паспорт АРБИТР (ПК АСМ СЗМА) Аннотации АРБИТР (ПК САМ СЗМА)

Основные функции комплекса АРБИТР

В настоящее время комплекс АРБИТР реализует следующие функции, прошедшие процедуру аттестации:

- представление в исходной СФЦ (в суперграфе СФЦ) до 400 элементов (вершин) и до 100 элементов в каждой декомпозированной вершине (подграфах СФЦ) основного графа исследуемой системы (т.е. возможность ввода до 40 000 вершин);
- автоматическое построение логических функций, представляющих кратчайшие пути успешного функционирования (КПУФ), минимальные сечения отказов (МСО) или их немонотонные комбинации (явные детерминированные модели исследуемых свойств системы);
- автоматическое построение вероятностных функций, обеспечивающих точный расчет показателей устойчивости, эффективности и риска исследуемых систем;
- расчет вероятности реализации заданных критериев, представляющих свойства устойчивости (надежности, стойкости, живучести) и безопасности (технического риска, вероятностей возникновения аварийных ситуаций и аварий) систем;
- расчет вероятности безотказной работы или отказа и средней наработки до отказа невосстанавливаемых систем;
- расчет коэффициента готовности, средней наработки на отказ, среднего времени восстановления и вероятности безотказной работы восстанавливаемых систем;
- расчет вероятности готовности смешанных систем, состоящих из восстанавливаемых и невосстанавливаемых элементов;
- расчет значимостей, положительных и отрицательных вкладов всех элементов исследуемой системы в вероятность реализации исследуемого свойства, используемые для выработки и обоснования управленческих решений по обеспечению устойчивости, живучести, безопасности эффективности и риска функционирования;
- вспомогательный режим приближенных расчетов, которые выполняются по двум методикам: для независимых отказов элементов (аналог методики, используемой в комплексах "Risk Spectrum" (Швеция) и "Saphire-7" (США)), и с учетом трех типов отказов элементов – "отказ на требование", "отказ в режиме работы" и "скрытый отказ в режиме ожидания" (методы разработаны специалистами ФГУП ОКБМ им И.И.Африкантова и впервые реализованы в аттестованном комплексе "CRISS 4.0");
- расчет вероятности реализации отдельных КПУФ или МСО системы;
- расчет значимости и суммарной значимости сечений отказов по Fussell-Vesely;
- расчет значимости, уменьшения и увеличения риска элементов по Fussell-Vesely;
- приближенный расчет вероятностных характеристик системы с учетом трех типов отказов элементов: отказ на требование, отказ в режиме работы и скрытый отказ в режиме ожидания (по методике, реализованной в ПК CRISS 4.0);
- структурный и автоматический учет отказов групп элементов по общей причине (модели альфа-фактора, бета-фактора и множественных греческих букв);
- учет различных видов зависимостей и множественных состояний элементов, представляемых c помощью групп несовместных событий;
- учет двухуровневой декомпозиции структурной схемы, дизъюнктивных и конъюнктивных кратностей сложных элементов (подсистем);
- учет неограниченного числа циклических (мостиковых) связей между элементами и подсистемами;
- учет различных комбинаторных отношений (К из N) между группами элементов.

После завершения процедуры аттестации комплекса АРБИТР в ОАО "СПИК СЗМА" развернуты работы по его дальнейшему совершенствованию и внедрению ряда новых функциональных возможностей:
- детерминированного моделирования и определения системных последствий поражения любых групп элементов (детерминированная стойкость, условная живучесть системы); - автоматического построения статистических моделей и оценки показателей устойчивости, эффективности и риска функционирования сложных систем большой размерности и высокой структурной сложности; - оптимизации проектных решений разрабатываемых АСУ ТП опасных производственных объектов по критериям "надежность – стоимость"; - расчет вероятностных характеристик устойчивости, эффективности и ожидаемого ущерба при задании любых начальных состояний системы; - адаптация АРБИТР к выполнению работ по проектированию АСУ ТП; - адаптация АРБИТР к подготовке расчетно-пояснительных записок деклараций промышленной безопасности и планов локализации и ликвидации аварий ОПО; - учет различных законов распределения времени безотказной работы элементов и др.

Опыт практического использование комплекса АРБИТР организациями

В настоящее время практическое применение программного комплекса АРБИТР осуществляется следующими организациями:

1. "Специализированная инжиниринговая компания "Севзапмонтажавтоматика" (ОАО "СПИК СЗМА"), Санкт-Петербург, разработчик ПК АРБИТР; с помощью ПК АРБИТР выполнены проектные расчеты надежности АСУТП опасных производственных объектов: ООО "Киришинефтеоргсинтез", 10 проектов; ООО НПО "МИР", 1 проект; ООО "Мозырский НПЗ", Республика Беларусь, 4 проекта; ОАО "Казаньнефтеоргсинтез", Республика Татарстан, 2 проекта; ООО "Нарьянмарнефтегаз", 2 проекта; ОАО "ТКГ-4", 1 проект
2. "Межотраслевой экспертно-сертификационный, научно-технический и контрольный центр ядерной и радиационной безопасности" (РЭСцентр), Санкт-Петербург. С использованием комплекса АРБИТР выполнено 13 проектов по расчету показателей надежности, остаточного ресурса и рисков объектов использования атомной энергии ФГУП "ПО Северное машиностроительное предприятие", г. Северодвинск.
3. ЗАО "Компания СЗМА", Санкт-Петербург, выполнен расчет надежности Автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электрической энергии (АИС КУЭ) ФГУП "Петербургский метрополитен".
4. ОАО "Гипровостокнефть", г. Самара, выполняет работы по расчету надежности систем объектов нефтехимической промышленности Сибири и Дальнего Востока.
5. "Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковкого" (МАТИ), Москва. АРБИТР используется в учебном процессе университета.
6. ЗАО "ТЕЛРОС", Санкт-Петербург. Комплекс используется для аудита безопасности объектов жизнеобеспечения.
7. "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени технологический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ"), Москва. Используется при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и заказных работ.
8. "Научно-исследовательский институт Многопроцессорных вычислительных систем Имени академика А.В. Каляева Южного федерального университета", г. Таганрог. Комплекс АРБИТР используется пи выполнении научно-исследовательских, опытно – конструкторских и заказных работ.
9. ГОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет". Комплекс АРБИТР используется в учебном процессе университета.
10. ООО "Научно-технический центр "Технологии и безопасности" (НТЦ ТБ), Санкт-Петербург. Используется при разработке деклараций промышленной безопасности (ДПБ) опасных производственных объектов и планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС).

Руководящие документы, поддерживаемые комплексом АРБИТР

В комплексе АРБИТР (и других комплексах, реализующих технологию АСМ), вычисляются показатели надежности и безопасности, соответствующие следующим действующим государственным стандартам и руководящим документам:

- ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1989, 24 с.;
- ГОСТ 24.701-86. Надежность автоматизированных систем управления. Основные положения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1986, 17 с.;
- ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996, 15 с.;
- РД 03-418-01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. // Нормативные документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр. Серия 3. Выпуск 10. М.: Госгортехнадзор России, НТЦ "Промышленная безопасность", 2001, 60 с.;
- ГОСТ Р 51901-2002 (МЭК 60300-3-9:1995). Управление надежностью. Анализ риска технологических систем. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002, 22 с.;
- ГОСТ Р 51901.14-2005 (МЭК 61078:1991). Менеджмент риска. Метод структурной схемы надежности. М.: Стандартинформ, 2005, 18 с.;
- ГОСТ Р 51901.13-2005 (МЭК 61025:1990). Менеджмент риска. Анализ дерева неисправностей. М.: Стандартинформ, 2005, 11 с.
- РД 34.20.501-95. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. // Приказ Минэнеро № 229 от 19.06.20003 г. Приказ Ростехнадзора РФ от 01.08.2006 г. № 738).

Разработаны и внедрены в деятельность Компании Стандарт предприятия - "Расчет надежности проектируемых объектов" и Рабочая инструкция "Указания по расчету надежности проектируемых объектов". По заказу головной организации ОАО "Ассоциация "Монтажавтоматика" (Москва) Компанией разработан проект руководящего документа: "Надежность и безопасность. Автоматизированное структурно-логическое моделирование и расчет надежности и безопасности автоматизированных систем управления технологическими процессами и оборудованием на стадии проектирования. Методические рекомендации". Документ одобрен и рекомендован к применению. На проект этого документа получено ряд положительных отзывов:
• Академика Рябинина И.А., признанного во всем мире основателя и руководителя отечественной школы логико-вероятностного моделирования.
• ОАО "Монтажавтоматика", г. Москва.
• Департамента по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и атомной энергетике Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь (ПРОМАТОМНАДЗОР), г. Минск.
• Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации (ОАО ЦНИИКА), г. Москва.
• ООО "НЕФТЕХИМИНФОРМАТИКА", г. Москва.
• Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН.
• Санкт-Петербургского научно-исследовательского и проектно - конструкторского института "АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ.

Интерфейс пользователя ПК АРБИТР

Интерфейс пользователя ПК АРБИТР

Рис.1. Интерфейс пользователя ПК АРБИТР

Основное окно ПК АРБИТР состоит из следующих частей.

1. Строка заголовка (1). При включении Комплекса в этой панели высвечивается надпись "ПК АРБИТР базовая версия 1.0". После построения и сохранения, или вызова СФЦ надпись в панели заголовка меняется и составляет "{наименование схемы}.sfc ПК АРБИТР базовая версия 1.0". В правом углу панели заголовка расположены три стандартные кнопки управления, позволяющие сворачивать, разворачивать или закрывать Основное окно.

2. Cтрока главного меню (2). Главное меню Комплекса включает в себя следующие три пункта:
• "Файл" – работа с файлами проектов;
• "Утилиты" – вспомогательные утилиты расчета параметров элементов;
• "Помощь" – вызов справочной информации о ПК АРБИТР.

3. Две панели быстрого доступа (3):
• панели, дублирующей пункты главного меню (2) ;
• панели инструментов, использующихся для управления процессом ввода и корректировки графа СФЦ исследуемой системы.

4. Четырех дочерних окон, разделенных скользящими полосками (5), позволяющими изменять их размеры:
• Окно ввода схемы функциональной целостности исследуемой системы (4);
• Окно параметров моделирования и расчетов (6);
• Таблицы критериев функционирования (7)
• Таблицы параметров элементов (8)
• Окно вывода результатов моделирования и расчетов (9).

5. Строки статуса (10)

Основные положения методики применения ПК АРБИТР

Для моделирования и расчета показателей надежности и безопасности системы пользователю необходимо подготовить исходные данные:

• Изучить объект, разработать событийно-логическую структурную модель исследуемого свойства системы (например, в виде блок-схемы, графа связности, дерева отказов, дерева событий и др.), представит ее в форе СФЦ (одной или нескольких) и ввести в комплекс АРБИТР. На рис.1 в окне ввода СФЦ приведена структурная модель двухэлементной системы, позволяющая вычислять показатели ее надежности, стойкости, живучести, устойчивости, технического риска и ожидаемого ущерба;
• Определить и ввести в АРБИТР вероятностные и другие параметры элементов исследуемой системы. На рис.1 введенные статические вероятностные параметры элементарных событий приведены в окне (8);
• Сформулировать и ввести в АРБИТР логические критерии функционирования (ЛКФ), определяющие условия реализации системой исследуемых свойств. На рис.1 в четвертой строке панели (3) в окне "Ввод ЛКФ" записан критерий "у30" - технического риска аварии системы с уровнем последствий 30 уе. В окно (7) введены три ЛКФ, определяющие ожидаемый ущерб от возможных аварий исследуемой системы. Для выполнения автоматизированного моделирования и расчетов показателей исследуемых свойств системы в АРБИТР устанавливается требуемы режим работы (на рис.1 в окне (6) установлен режим "Расчет риска") и включается кнопка "Моделирование и расчет" (см. рис.1 панель (3)). После этого АРБИТР выполняет автоматическое построение логической и вероятностной математической модели исследуемого свойства, производит вычисление системных показателей, выводит их на экран интерфейса пользователя и сохраняет в файле результатов. Так, в приведенном на рис.1 примере, выполненный АРБИТР расчет показателя "ожидаемый ущерб" составил 32.475 уе (см. статью в журнале "Приборы и системы" №9/2008). На рис.1 приведена полученная АРБИТР диаграмма положительных вкладов элементов (окно (6)) исследуемой системы в значение показателя ожидаемого ущерба. Диаграмма показывает на сколько изменится (увеличится или уменьшится) значение ущерба, если провести мероприятия, направленные на увеличение вероятностей элементарных событий (элементов). На основе анализа диаграмм вкладов элементов удобно вырабатывать и обосновывать оптимальные управленческие решения по модернизации системы, в различных целях, например - увеличения ее надежности и безопасности.

Примеры решения задач анализа надежности и безопасности с помощью ПК АРБИТР

Пример 1. Устойчивость, технический риск и эффективность двухэлементной дублированной системы

Пример 2. Безотказность системы электроснабжения

Пример 3. Моделирование и расчет надежности системы большой размерности и высокой структурной сложности

Пример 4. Анализ надежности и безопасности стенда физических измерений

Компания заинтересована в расширении практического опыта использования и дальнейшего развития технологии автоматизированного структурно-логического моделирования и оценки надежности и безопасности сложных систем комплексом АРБИТР.

По разработке и применению комплекса АРБИТР Вы можете задать вопрос ведущему техническому специалисту ОАО "СПИК СЗМА" МОЖАЕВУ Александру Сергеевичу.

По всем коммерческим вопросам обращайтесь по адресу: