СУДОВЫЕ ЭНЕ^ГЕТ^ЧЕС^^Е УСТАНОВКИ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ ВСЕХ СИСТЕМ И МЕХАНИЗМОВ КОРАБЛЯ И АЛГОРИТМ ЕГО ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
А. В. Ярошенко, канд. техн. наук (ВМА им. Н. Г. Кузнецова)
удк 591.1-74:629.5
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 некоординированными. 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 атомные подводные лодки (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 30 с после начала аварии уже должны начаться первые противоава-рийные мероприятия. Чтобы уложиться в это время, на осознание аварийной ситуации, обдумывание и принятие решения на противоава-рийные действия оператор, согласно проведенным исследованиям, имеет максимум 12 с, а фактически в среднем ему требуется 16 с. 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 (ЭЭ^ 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
Рис. 1. Формализация передачи энергии, вещества или информации (а) и источника энергии, вещества или информации (б)
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 вынуждено 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
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
СУДОВЫЕ ЭНЕ^ГЕТ^ЧЕС^^Е УСТАНОВКИ
вершины графа и входящей в другую (рис. 1, а). Если какой-либо элемент является источником ЭВИ, то этот факт обозначим петлей при вершине, т. е. элемент как бы получает ЭВИ «из самого себя» (рис. 1, б). 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 котлотурбин-ную установку (КТУ), состоящую из котла с топливной цистерной и топливным насосом, паропроводов, подающих пар на главные турбозуб-чатые агрегаты № 1 и № 2 (ГТЗА) с навешенными на них генераторами (Г) и винтами движительного комплекса (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 380 В при частоте тока 50 Гц поступает на главные распределительные щиты ГРЩ-1 и ГРЩ-2, между которыми есть перемычка с автоматом А1. При помощи дизель-обратимых 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 380 В/50 Гц 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 ин-верторный 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 А3.
В случае выхода из строя КТУ и АБ обоих бортов, соединяются муф-
6 Судостроение № 1, 2000 г.
Рис. 2. Типовая схема корабельной котлотурбинной установки
ты 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-1—К-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 (¿-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 (I — пар или топливо, 2 — электроэнергия 380 В 50/Гц, 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. На рис. 4 показаны соответственно матрицы связности вершин суграфа фактических каналов передачи ЭВИ — матрица В (рис. 4, а) и резервных связей — матрица С (рис. 4, б). Каждый их ненулевой элемент соответствует двухразрядному числу на концах соответствующих дуг и петель.
Рассмотрим работу алгоритма при конкретной ситуации. Пусть поражающие факторы какой-либо аварии (пожар, затопление, разрыв в системе ВВД или паропроводов и т. д.) приведет к выходу из строя генератора Г-1 (см. рис. 2). Формально это записывается внесением в содержание вектора аварии всех выходящих дуг из вершины № 7:
К°= |иг°) е {г,0,= 23} .
Здесь 23 — это номер дуги (на рис. 3 все номера дуг даны в скобках).
В результате такого повреждения ГРЩ-1 потеряет питание электроэнергией с параметрами 380 В/50 Гц. В матрице В (см. рис. 4, а) это будет соответствовать тому, что в строке 9 и столбце 7 ее ненулевой элемент 69 7 = 21 ^ 0 станет равным нулю.
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
Рис. 3. Граф-модель корабельной котлотурбинной установки
В этом случае алгоритм будет функционировать следующим образом: в матрице резервов С (см. рис. 4, б) в ее строке 9 он будет искать ненулевой элемент с тем же самым типом питания 2 (380 В/50 Гц) и следующим по порядку номером ввода в действие резерва, т. е. приоритетом 2. Следовательно, этот элемент должен иметь индекс 22. Такой элемент алгоритм найдет в колонке 13 матрицы С, т. е. С913 = 22. Затем алгоритм переводит элемент с913 = 22 из матрицы С в матрицу В на свое место, т. е. в строку 9 и колонку 13. После чег
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.