Главная Архив номеров N-17 декабря 2007 Алгоритм «ЭНЕРГИЯ»
 

Авторизация



Алгоритм «ЭНЕРГИЯ» Печать

Капитан 1 ранга А.В. ЯРОШЕНКО, д.т.н., профессор (ВМА им. Н.Г. Кузнецова).

Рассмотрим применение алгоритма «Энергия» на примере автоматизации борьбы за живучесть такой большой сложной системы как все технические средства атомной подводной лодки (АПЛ).
Опыт борьбы за живучесть (БЗЖ) технических средств (ТС) как в отечественном ВМФ, так и в ВМС США свидетельствует, что примерно в 30% случаев операторы ТС своими действиями только усугубляли аварийную ситуацию. Эти действия были либо неправильными, либо несвоевременными, либо нескоординированными. Попытки улучшить ситуацию, повысив качество обучения операторов и ужесточив их ответственность, существенных результатов не принесли.
Анализ действий операторов в процессе БЗЖ на таких технически сложных кораблях, как АПЛ, показал, что имеются две объективные причины, обуславливающие появление ошибок.
Первая причина заключается в дефиците времени на принятие решения. В соответствии с существующими требованиями максимально через 30с после начала аварии уже должны начаться первые противоаварийные мероприятия. Чтобы уложиться в это время, на осознание аварийной ситуации, обдумывание и принятие решения на противоаварийные действия оператор, согласно проведенным исследованиям, имеет максимум 12с, а фактически в среднем ему требуется 16с. Следовательно, оператор просто физически не успевает адекватно отреагировать на быстро меняющуюся аварийную ситуацию.
Вторая причина обусловлена дефицитом информации. Современные АПЛ настолько сложны, их системы и механизмы настолько технологически взаимозависимы, что одному оператору практически невозможно осознать все происходящие процессы для принятия правильного решения. Чтобы этого избежать, искусственно единую функцию управления всеми ТС разделили на три части и, соответственно, ввели трех операторов: главной энергетической установки (ГЭУ), электроэнергетической системы (ЭЭС) и общекорабельных систем (ОКС).

В нормальной неаварийной обстановке такое разделение функций управления хорошо себя зарекомендовало. Однако при аварии возникает противоречие. С одной стороны, одному оператору все технологические процессы не осознать, а с другой, исходя из теснейшей технологической взаимозависимости всех ТС АПЛ, каждому оператору надо знать техническое состояние не только вверенных ему механизмов и систем, но и других, информации о которых он не имеет вследствие разделения единой функции управления на три пульта. В такой ситуации операторы объективно вынуждены действовать разобщенно, часто наугад. В результате их действия становятся нескоординированными между собой, что и ведет к усугублению аварийной ситуации.

Именно в этом случае операторам может помочь алгоритм, основанный на математической модели, учитывающей реальную технологическую взаимозависимость всех ТС корабля. Поставим задачу формально. Пусть дана большая сложная техническая система, под которой будем понимать ТС всей АПЛ в целом, состоящие из множества физически и функционально разнородных, но технологически взаимозависимых систем и механизмов. В такой системе происходит произвольная комбинация повреждений элементов. Требуется в кратчайшее время выработать единое скоординированное по всей сложной системе решение на переключения в ней с целью локализации аварии и максимально возможного поддержания ее работоспособности, затем это единое решение разделить согласно числу операторов и выдать его каждому из них в части, касающейся его функциональных обязанностей. Предъявим ряд обязательных требований к качеству такого решения:
- решение должно быть выработано в форме конкретных действий операторов (т. е. в нем необходимо конкретно указать, какой клапан открыть, какой закрыть, какой насос пустить, какой остановить и т. д.);
- должна учитываться ситуация, когда часть операторов в ходе БЗЖ потеряет работоспособность, тогда действия оставшихся в строю должны быть изменены с учетом этого факта;
- следует предусмотреть возможную ситуацию, когда после произвольной комбинации повреждений какую-либо систему можно вынужденно собрать из оставшихся не поврежденными элементов только по нештатной схеме ее включения, тогда решение обязательно должно содержать анализ возможных перегрузок;
- решение должно включать в себя прогноз того будущего общего состояния всей технической системы, в которое она может попасть при условии, что все операторы в точности выполнят все рекомендованные им действия.
Такой алгоритм, получивший название «Энергия», создан в ВМА им. Н.Г.Кузнецова.
Опишем его на конкретном упрощенном примере. Предложим для этой цели использовать математический аппарат теории цветных графов. Случай, когда один элемент отдает другому энергию, вещество или информацию (ЭВИ), будем обозначать дугой, выходящей из одной вершины графа и входящей в другую (см. рис. 1а). Если какой-либо элемент является источником ЭВИ, то этот факт обозначим петлей при вершине, т. е. элемент как бы получает ЭВИ «из самого себя» (см. рис.1б). Большинство связей в граф-моделях сложных систем символизируют передачу того или иного типа энергии (а не вещества или информации), поэтому алгоритм и был назван «Энергия».

Используя такое математическое описание, можно составить граф-модель технической системы любой сложности. В качестве примера рассмотрим корабельную котлотурбинную установку (КТУ), состоящую из котла с топливной цистерной и топливным насосом, паропроводов, подающих пар на главные турбозубчатые агрегаты №1 и №2 (ГТЗА) с навешенными на них генераторами (Г) и винтами движительного комплекса (см. рис.2). Вакуум в главном конденсаторе (ГК) создается при помощи главного эжектора (ГЭЖ). Охлаждается пар в ГК забортной водой, которая прокачивается при помощи главного циркуляционного насоса (ГЦН). Питательная вода в котел подается последовательно включенными электроконденсатным и электропитательным насосами (ЭКН и ЭПН). Вырабатываемая навешенными на ГТЗА генераторами электроэнергия напряжением 380В при частоте тока 50Гц поступает на главные распределительные щиты ГРЩ-1 и ГРЩ-2, между которыми есть перемычка с автоматом А1. При помощи дизельобратимых преобразователей ДОП-1 и ДОП-2 переменный ток преобразуется в постоянный и подается на щиты постоянного тока ЩПТ-1 и ЩПТ-2, между которыми имеется перемычка с автоматом А2.

При потере напряжения в сети 380В/50Гц автоматически срабатывает запорное кремниевое устройство ЗУК-1 и ЗУК-2 и ток от аккумуляторных батарей АБ-1 и (или) АБ-2 идет на ДОП-1 и (или) ДОП-2, которые при этом переходят в инверторный режим, т. е. из постоянного тока вырабатывают переменный и питают ГРЩ-1 и (или) ГРЩ-2. ЗУК-1 и ЗУК-2 шунтируются автоматами ВБ-1 и ВБ-2 соответственно. Между АБ-1 и АБ-2 также имеется перемычка с автоматом A3.
В случае выхода из строя КТУ и АБ обоих бортов, соединяются муфты у ДОП-1 и ДОП-2 и от пусковых баллонов воздуха высокого давления ВВД-1 и ВВД-2 запускаются дизели Д-1 и Д-2. На вал каждого дизеля навешены насосы забортной охлаждающей воды, которые вместе с ГЦН через клапаны К-1ёК-6 образуют единую систему водяного охлаждения (СВО). От дизелей приводятся гребные винты вспомогательного подруливающего устройства. Топливо к дизелям подается с помощью топливного насоса №2 из топливной цистерны №2. Всеми крупными механизмами управляет система автоматического управления (САУ), а при ее выходе из строя ими можно управлять вручную с местного поста по соответствующим командам. Источники основного и резервного каналов подвода электрической энергии к электродвигателям соответствующих насосов также показаны на рис.3.
По правилам математической формализации построим граф-модель (L-граф) данной технической системы (см. рис.3). Здесь у конца каждой дуги и петли стоят двухразрядные числа. Разряд десятков говорит о номере типа питания ЭВИ или раскраске графа (1 - пар или топливо, 2 - электроэнергия 380В/50Гц, 3 - управляющие сигналы от САУ, 4 - питательная вода, 5 - забортная вода, 6 - электроэнергия постоянного тока), а разряд единиц соответствует номеру приоритета ввода в действие резерва. Приоритет 1 имеют все связи, работающие в спецификационном режиме (на рис.3 они показаны толстыми дугами). Все резервные дуги (приоритеты 2 и более) обозначены тонкими линиями.
Не усложняя материал математическими формулами, кратко опишем работу алгоритма при конкретной ситуации. Пусть поражающие факторы какой-либо аварии (пожар, затопление, разрыв в системе ВВД или паропроводов и т. д.) приведут к выходу из строя генератора Г-1 (см. рис. 2).
В результате такого повреждения ГРЩ-1 потеряет питание электроэнергией с параметрами 380В/50Гц.
Обрабатывая каждый элемент вектора аварий, алгоритм «запоминает» номера всех перемещенных элементов из матрицы резервных связей в матрицу фактических связей. Каждый такой перенос в реальности есть ввод в действие какой-то резервной связи. Но для того, чтобы это сделать, оператору нужно выполнить какие-то конкретные действия. Поэтому для каждого ненулевого элемента матрицы резервов заранее поставлено в соответствие текстовое сообщение для оператора о том, что ему конкретно нужно сделать для ввода в действие каждой резервной связи. Следовательно, когда алгоритм «Энергия» заканчивает обрабатывать векторы аварий всех поколений, на экран дисплея выдаются текстовые сообщения о конкретных действиях оператора по вводу в работу тех резервных связей, номера которых соответствуют тем ненулевым элементам матрицы резервных связей, которые переместились в матрицу фактических связей.
Далее алгоритм сортирует все перемещенные элементы по типам передаваемой энергии, вещества или информации (номерам цвета красок). Для нашего примера (см. рис.2): оператору пульта ГЭУ - 1, 4 и 5; оператору пульта ЭЭС - 2 и 6; вахтенному группы КИПиА (контрольно-измерительных приборов и автоматики) - 3.
Затем, согласно этим номерам, в виде текста выдаются рекомендации на экраны дисплеев соответствующим операторам о выполнении необходимых оперативных переключений в сложной технической системе, например:
РЕКОМЕНДАЦИИ ОПЕРАТОРАМ ПО БОРЬБЕ ЗА ЖИВУЧЕСТЬ
Действия оператора ГЭУ
1. Вышел из строя ГЦН. Пустить дизель №1 в режиме насоса забортной воды. Открыть клапан К-3, подать охлаждающую воду на СВО ТГ-1.
2. Вышел из строя ГЦН дизель №2. Пустить дизель №1 в режиме насоса забортной воды. Открыть клапан К-6, подать охлаждающую воду на СВО ТГ-2.
3. Вышли из строя навешенный насос охлаждения дизеля №2 и ГЦН. Пустить дизель №1 в режиме насоса забортной воды. Открыть клапаны К-1, К-4 и К-6, подать охлаждающую воду от дизеля №1.
Действия оператора ЭЭС
1. Вышел из строя ДОП-2, автоматически не сработало ЗУК-2. Замкнуть автомат А2, подать питание на ЩПТ-2 от ЩПТ-1.
2. Вышел из строя ЩПТ-2. Замкнуть автомат А5. Подать питание постоянного тока на САУ от ЩПТ-1.
Действия вахтенного группы КИПиА
1. Вышла из строя САУ. Управлять топливным насосом с местного поста вручную по команде с пульта ГЭУ.
2. Вышла из строя САУ. Управлять котлом с местного поста вручную по команде с пульта ГЭУ.
3. Вышла из строя САУ. Управлять ГТЗА левого борта и навешенным ТГ-2 с местного поста вручную по командам с пульта ГЭУ.
Сведения о перегрузках
Перегрузка №1. Дизель №1 на 0,3%. С него запитываются:
ГТЗА правого борта с навешенным ТГ-1 – 200л/мин;
ГТЗА левого борта с навешенным ТГ-2 – 200л/мин, дизель №1 – 500л/мин;
Дизель №2 – 250л/мин.
Перегрузка №2. ЩПТ-1 на 36%. С него запитываются:
ЩПТ-2 – 55А;
Топливный насос №2 – 10А;
Система автоматического управления – 10А.
Возможности движительного комплекса корабля
Ограничений по использованию ГЭУ нет.
Возможности по запасам топлива
Можно эксплуатировать ГЭУ без ограничений по мощности и ходу.
Поскольку такое решение вырабатывалось единым алгоритмом по единой граф-модели ТС, то, следовательно, все конкретные рекомендации для каждого из операторов в отдельности будут скоординированы между собой.
В связи с тем, что операторы, управляющие процессом БЗЖ технических средств в сложной ТС, несут ответственность за свои действия, получая указания на производство оперативных переключений от алгоритма «Энергия», они должны знать, каково будет общее техническое состояние ТС, которыми они управляют. В противном случае операторы будут вынуждены либо принимать рекомендуемые им советы на веру («в темную»), либо необоснованно отказываться от них, что в любом случае увеличивает риск. Поэтому алгоритм должен также выдавать и краткое описание того общего состояния всей сложной ТС, в которое она может попасть при условии, что все операторы полностью выполнят рекомендуемые переключения.
Для выработки такой информации алгоритм «Энергия», после окончания обработки векторов аварий всех поколений, анализирует состояние («1» - в строю, «0» - вышел из строя) каждого элемента ТС, учтенного в его граф-модели как вершина. В результате этого анализа образуется определенная комбинация из нулей и единиц. Каждая такая комбинация, свидетельствующая о каком-то общем состоянии всей ТС в целом, заранее в таблице истинности снабжена краткой текстовой информацией о ней. Алгоритм сравнивает образовавшуюся комбинацию с учтенными в таблице истинности, находит аналогичную и выдает на экраны дисплеев операторов текстовое сообщение, соответствующее совпавшей комбинации. Это сообщение является прогнозом того будущего общего состояния сложной ТС, в которое она может попасть при условии, что все операторы полностью выполнят предложенные им рекомендации на оперативные переключения.

 
Разработка сайтов