Основные понятия и определения теории живучести. Живучесть - это способность объекта сохранять свойства, необходимые для выполнения требуемых функций, при наличии внешних воздействий, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации. По внешним воздействиям, которые в литературе часто называют неблагоприятными воздействиями (НВ), понимаются факторы, выходящие за рамки проектных условий эксплуатации. К ним относятся: землетрясения, грозы, высокий уровень наземных и подземных вод, ураганы, смерчи, аварии на воздушном, водном и наземном транспорте, диверсии и т.п.
В приведенном определении живучести необходимо отметить четыре обстоятельства:
- живучесть следует рассматривать как внутреннее свойство объекта, которым он обладает независимо от возникающих в данный момент условий функционирования. В полной мере живучесть объекта проявляется при крупных НВ, которые трудно спрогнозировать и которые создают экстремальные условия функционирования объекта;
- живучесть проявляется в том, что объект при НВ сохраняет не все функции, которые он должен выполнять при нормальных условиях эксплуатации, а лишь основные функции да и то с возможным понижением качества их выполнения. Это означает, что возможно изменение стратегии функционирования объекта по мере увеличения тяжести НВ;
- объект должен обладать свойством постепенной деградации по мере увеличения тяжести неблагоприятных последствий и для каждого уровня таких последствий оперативно и максимально эффективно использовать сохранившиеся ресурсы для выполнения основных функций с учетом изменения стратегии функционирования (целевой функции), а в дальнейшем реализовать оптимальную стратегию восстановления с учетом возникающих ограничений;
- для оборудования и систем АЭС выполнение заданных функций происходит в течение продолжительного интервала времени после завершения НВ. В объектах такого класса успех функционирования определяется не только состоянием объекта в начальный момент времени, но и траекторией функционирования в дальнейшем. Здесь уже начинают влиять другие факторы, такие, как остаточный уровень избыточности различных видов, эффективность системы восстановления, безотказность элементов и др.
С учетом четырех изложенных обстоятельств можно дать следующее определение: живучесть - это свойство объекта сохранять и восстанавливать способность к выполнению основных функций в заданном объеме и в течение заданной наработки при изменении структуры, алгоритмов и условий функционирования вследствие непредусмотренных регламентом нормальной работы НВ. Данное определение допускает учет любых последствий НВ, а именно: потерю работоспособности элементов и связей между ними вследствие их функционального разрушения или нарушения целостности, изменения (ухудшения) технических характеристик (производительности, пропускной способности и др.), искажение алгоритмов функционирования, уменьшение структурной избыточности, ухудшение безотказности элементов, управляемости, изменения условий функционирования (резкое уменьшение или увеличение нагрузки, перераспределение нагрузки, изменение динамических характеристик нагрузки).
Объект, обладающий свойством живучести, проявляет его благодаря имеющимся у него пассивным и активным средствам обеспечения живучести (СОЖ), которые включают в себя: средства контроля работоспособности, средства аварийной защиты, средства реконфигурации и управления. Действия СОЖ оказывают влияние на первичные последствия НВ, и в зависимости от интенсивности процессов в оборудовании и системах объекта, конкретных внешних условий функционирования, эффективности СОЖ объекты в конечном счете переходят в одно из возможных устойчивых состояний. После перехода в новое состояние выполняется оценка первичных состояний, в результате которых состояние объекта относят к одному из трех классов: работоспособное, неработоспособное и аварийное. Именно по результатам этой классификации оценивается живучесть объекта.
Перевод объекта в новое устойчивое состояние не завершает борьбы за живучесть, так как при дальнейшем функционировании могут проявляться и вторичные последствия НВ, более отдаленные, но не менее опасные, чем первичные. Вторичные последствия связаны с неуправляемыми или плохо управляемыми, тепловыми, радиационными, электрическими и другими процессами. Скорость развития вторичных последствий и конечный результат существенно зависят от работы СОЖ.
Схема борьбы за живучесть объекта существенно усложняется, когда различные по интенсивности и тяжести последствий многократные НВ накладываются друг на друга. Во всех возможных схемах существенную роль играет "эффект гонок": процессы развития последствий НВ и процессы борьбы за живучесть протекают во времени, и поэтому тяжесть последствий НВ, состояние и в конечном счете судьба объекта во многом определяется возможностями СОЖ, их оперативностью и эффективностью. В связи с этим важно подчеркнуть следующее: борьба за живучесть происходит во многих случаях в условиях острого дефицита времени, и поэтому модели живучести таких объектов должны быть динамическими.
Факторы, учитываемые в моделях живучести, можно разбить на три группы. В первую группу входят факторы, характеризующие НВ. Область действия НВ может быть указана путем перечисления элементов системы и их функциональных связей, попавших в область действия НВ. В зависимости от природы НВ различают один или несколько поражающих факторов. Например, электроэнергетическая система, расположенная в сейсмически активной зоне, испытывает механические воздействия во время землетрясения, тепловые воздействия от возникающих пожаров при коротких замыканиях, электрические воздействия из-за отключений или переключений частей системы. При определенных условиях удается свести разнообразные факторы к одному условному на основе эквивалентных воздействий.
Каждое НВ и каждый из поражающих факторов характеризуется интенсивностью. Если область действия НВ не точечная, то интенсивность задается по всей области. Интенсивность НВ может изменяться во времени.
По продолжительности действия все НВ подразделяются на импульсные (с практически нулевой продолжительностью действия) и с конечной продолжительностью действия.
Источником сильных возмущений объекта, воздействие которых требует борьбы за живучесть, является природа и другие объекты, которые обычно называют внешней средой. К внешней среде следует относить совокупность всех потребителей энергии в энергосистеме, совокупность пользователей в вычислительной системе, совокупность абонентов в системе связи. Вместе с тем участие внешней среды в формировании НВ не всегда является непосредственным. Возмущение может возникнуть в системе в результате внутренних изменений, проведенных под влиянием угрозы внезапного неблагоприятного воздействия окружающей среды. При этом первичные возмущения могут быть и не сильными. К аналогичным последствиям могут привести и внутренние возмущения, вызванные отказами оборудования или неправильными действиями оперативного персонала.
Процесс взаимодействия объекта с внешней средой при возникновении однократных, а в особенности многократных НВ можно рассматривать как игровую ситуацию, в которой, пользуясь терминологией теории игр, объект имеет дело с пассивным противником.
Вторую группу образуют факторы, характеризующие систему и ее отдельные элементы с точки зрения живучести. Стойкость элементов характеризует способность элементов противостоять НВ, не допуская не только разрушения, но и нарушения работоспособности или снижения ее уровня. Стойкость может быть векторной характеристикой, если она рассматривается по отношению к многовекторному НВ.
Влияние топологии системы и ее отдельных элементов связано с тем, что НВ имеют пространственные характеристики интенсивности, и поэтому степень воздействия будет зависеть от того, какие размеры у элементов и как они расположены в пространстве. Система рассматривается как совокупность элементов, расположенных определенным образом на плоскости или в трехмерном пространстве. Соответственно она называется плоской или объемной.
Устойчивость к развитию последствий НВ определенного типа (механические разрушения от нарушения режимов эксплуатации, высокотемпературные тепловые и радиационные процессы, пожары, размножение ошибок в вычислительных системах и др.) является также внутренней характеристикой элементов и систем и зависит от свойств материалов, конструкционных решений, схем соединений, наличия и своевременного срабатывания средств аварийной защиты. Устойчивость характеризуется как возможностью появления тех или иных последствий НВ, зависящей от интенсивности НВ, так и скоростью протекания процессов, вызванных НВ.
Большое влияние при оценке живучести имеет безотказность элементов. При идеальной безотказности элементов и отсутствии вторичных последствий НВ для нормального функционирования систем АЭС достаточно, чтобы после НВ системы сохранили работоспособность. Если же элементы обладают реальными характеристиками безотказности, то вследствие существенного снижения структурной избыточности работоспособность системы после окончания НВ не гарантирует нормального функционирования энергоблока АЭС. Нельзя оставить без внимания и такой способ влияния НВ на безопасность, как увеличение интенсивности отказов элементов. В этом случае даже при сохранении уровня структурной избыточности вероятность успешного функционирования системы может снизиться до недопустимого уровня.
Действия СОЖ являются одним из главных факторов, учитываемых при оценке и обеспечении живучести. Следует различать внутренние, встроенные в систему СОЖ, и внешние средства, которые создаются и подключаются по мере необходимости ("спасательные службы"). Во вторую группу факторов включаются действия лишь внутренних СОЖ. Основными направлениями борьбы за живучесть, обеспечиваемыми СОЖ, являются: своевременное оповещение об опасности появления и результатах НВ, противоаварийная защита, резервирование (структурное резервирование, использование запасов производительности, мощности, пропускной способности), восстановление. К средствам восстановления, кроме средств восстановления работоспособности, относятся также средства локализации и устранения вторичных последствий отказов, средства восстановления технических характеристик, определяющих живучесть и не имеющих прямого отношения к работоспособности (например, огнестойкость, доступность и др.).
В третью группу входят факторы, характеризующие внешние СОЖ, а именно:
- наличие оперативных и надежных средств связи объекта с внешними СОЖ;
- возможность своевременного и эффективного вмешательства внешних СОЖ в борьбу за живучесть объекта.
Внешние СОЖ выполняют функции спасательных служб, используемых на время выполнения восстановительных работ. Планирование ресурсов и способов действия внешних СОЖ проводится при разработке надсистемы. Иерархический подход к организации СОЖ используется при создании внутренних СОЖ.
Для оценки роли факторов, возможности и способов их учета в моделях живучести важно знать их природу, источник исходных данных об их характеристиках и способы их получения. От того является ли фактор стохастическим или детерминированным, какие сведения можно получить о характеристиках данного фактора, зависит выбор модели живучести и методы анализа. Учет же всех факторов требует сочетания вероятностных и детерминированных моделей. По многим факторам второй и третьей групп исходные данные либо уже имеются, либо принципиально могут быть получены путем изучения технической документации или с помощью физического эксперимента. Что касается факторов первой группы, то здесь некоторые данные отсутствуют и их невозможно получить. Это значит, что анализ живучести надо вести в условиях неопределенности. При этом нельзя рассчитывать на привычные, известные в теории надежности модели.
Ответ на вопрос можно получить с помощью теории игр, которая предусматривает возможность принятия решения в условиях неопределенности о возможных стратегиях такого пассивного " противника", как природа, и критерия выбора той или иной стратегии. Согласно рекомендациям теории игр разрабатываются возможные ситуации (сценарии) и на множестве возможных ситуаций разрабатываются возможные решения и правила их выбора лицом, принимающим решение.
Детерминированные модели живучести строятся на основе сопоставления конкретных видов НВ и стойкости к ним элементов системы и АЭС в целом. В этом направлении наметились два подхода - статический и динамический. Суть статического подхода можно представить в следующей последовательности:
- определение области поражения и уровня НВ;
- определение списка элементов, которые могут быть повреждены;
3)нахождение уровня качества функционирования системы с помощью логических ФРС.
Динамический подход основан на использовании имитационного моделирования, включающего в себя динамические модели:
- возникновения и развития НВ;
- развития поражающих факторов НВ, влияющих на состояние элементов и систем АЭС;
- функционирования АЭС в условиях изменений структуры и значений параметров, вызванных поражающими факторами и средствами противодействия НВ.
Динамический подход имеет важные преимущества: 1) учет фактора времени в определении состояния работоспособности атомных станций, подверженной НВ; 2) важность получения количественных показателей живучести от значения параметров АЭС.
Несмотря на то, что задача формирования показателей живучести в случае детерминированного динамического подхода еще далека от своего решения, отдельные результаты получены на основе исследования областей работоспособности оборудования АЭС при заданных НВ. Существует два основных метода построения областей работоспособности: в пространстве параметров АЭС и в пространстве начальных условий развития НВ. В первом случае в качестве показателей живучести принимаются параметры АЭС, а их допустимые значения, соответствующие границе неработоспособности - количественные оценки живучести. Во втором случае показатели живучести - параметры НВ, количественные оценки живучести - начальные значения параметров НВ, при которых АЭС переходит в область неработоспособности. Такая двойственность в выборе показателей живучести, во-первых, позволяет сформулировать требования к параметрам АЭС и ее структуре, включая топологическую структуру, и, во-вторых, получать требования при проектировании средств противодействия НВ - систем безопасности.
Соотношение моделей живучести и надежности. Современные представления о свойствах надежности и живучести свидетельствуют, во-первых, о том, что эти свойства близки друг другу, так как они оба оценивают безопасность систем в определенных реальных, но различных условиях эксплуатации. Во-вторых, методы анализа и обеспечения показателей надежности и живучести существенно различны. Поэтому весьма важным является сравнение основных проблем и возможных путей их решения живучести и надежности атомных станций (табл. 4.1). Следует особо подчеркнуть, что при помощи методов анализа живучести можно получить оценки топологических структур систем и определить рациональное пространственное размещение элементов оборудования АЭС, что чрезвычайно важно с точки зрения обеспечения безопасности атомных станций.
Модели живучести, надежности и эффективности систем. Известно, что наиболее полную оценку качества сложных систем, к классу которых относятся и АЭС, дают показатели эффективности. Существует множество толкований понятия "эффективность".
Проблема | Пути решения | |
Надежность | Живучесть | |
Выбор модели отказов элементов системы: | а) Вероятностные |
б) Теории вероятностей, случайных процессов и аппарат алгебры логики
б) Теория дифференциальных уравнений |
Выбор показателей оценки | а) Вероятностные характеристики (ГОСТ 27.00289) |
б) Среднее число НВ, переводящее систему в характерные области состояний функционирования
б) Начальные значения параметров НВ, соответствующие границе области неработоспособности |
Выбор методов получения количественных значений показателей | а) Аналитические методы анализа |
б) Методы статистического моделирования
б) Имитационные методы анализа живучести, включающие динамические модели НВ, изменения поражающих факторов, изменения структуры и параметров системы |
Получение исходных данных | а) Статистическая обработка данных об отказах элементов в условиях эксплуатации | а) Теоретическая оценка стойкости элементов системы к поражающим факторам заданных НВ |
Выбор способов обеспечения работоспособности | а) Использование различных видов избыточности | а), б), в), г), д) Выбор оптимального размещения элементов системы |
Обычно эффективностью называют свойство объекта, выходящее за рамки таких свойств, как динамические, структурные, прочностные. Часто встречающиеся определения аффективности сводятся к двум:
- эффективность - это свойство, характеризующее степень использования потенциальных возможностей объекта;
- эффективность - это свойство, характеризующее отдачу объекта, отнесенную к полным затратам на него.
Общим для этих двух определений является то, что в них подчеркивается комплексность оценки качества объектов и попытка получить меру народно-хозяйственной полезности объекта. Причем первое определение эффективности отражает лишь в некоторой степени результаты эксплуатации объекта, но не позволяет судить о его полезности. Второе определение основывается на экономическом принципе "затраты-результаты" и характеризует уровень основных свойств объекта: динамики, надежности, живучести, качества управления, помехозащищенности, стойкости и их влияния на результаты применения объекта на всех этапах его "жизни" - проектирования, изготовления и эксплуатации. Именно в этом смысле термин "эффективность" употребляется в теории экономической эффективности.
Наиболее универсальной формой показателей эффективности является относительная форма
(4.54)
где Сх(<) - суммарная выработка энергии на интервале эксплуатации AC; 3s(t) - полные затраты на всех этапах "жизни" АЭС.
Например, для системы АЭС показатель эффективности имеет вид:
(4.55)
где w(<) - интенсивность целевой задачи; Пн(0 - суммарная недовыработка энергии АЭС на интервале эксплуатации объекта (0,<), обусловленная отказами; Пж(<) - суммарная недовыработка энергии АЭС, обусловленная ее уязвимостью при заданных вероятностях появления НВ; Зо - суммарные затраты на проектирование, изготовление и монтаж АЭС; зэк(0 - интенсивность эксплуатационных затрат; зуяз(<) - интенсивность затрат на восстановление вследствие уязвимости элементов АЭС при НВ. Выражение (4.55) может иметь более сложный вид. Здесь оно приведено в такой форме, чтобы показать, что показатели эффективности комплексно отражают надежность, живучесть и стоимость (в том числе стоимость создания систем обеспечения безопасности), имеют ясный физический смысл, чувствительны к основным техническим характеристикам АЭС и просты в вычислительном плане.
Таким образом, можно построить общую модель живучести объекта, которая показана на рис. 4.14.
Рис. 4.14. Общая модель живучести: МНВ - модель развития неблагоприятного воздействия; ПФ - значения поражающих факторов, неблагоприятных воздействий; МРС - модель изменения работоспособности системы; МПНВ - модель процессов противодействия НВ; ПЖ - значения показателей живучести
