PRACE NAUKOWE POLIECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 72 ransport 2010 Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk Politechnika Warszawska, Wydzia ransportu, Zakad elekomunikacji w ransporcie Rkopis dostarczono, lipiec 2010 MEODA OCENY NIEZAWODNOCI EKSPLOAACYJNEJ SYSEMU ELEMAYKI AUOSRADOWEJ W CELU OPRACOWANIA JEGO SRAEGII EKSPLOAACJI Streszczenie: W referacie zaprezentowano metodologi szacowania obsugiwalnoci i niezawodnoci systemu poboru opat jako jeden z etapów metody oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej wraz z koncepcj wykorzystania metody analizy narae czci (ang. Part Stress Analysis Prediction) oraz metod szacowania obsugiwalnoci systemu (ang. Maintainability Prediction) na przykadzie ptli przejazdowej bdcej jednym z zasadniczych elementów systemu poboru opat. Do wyznaczenia wartoci wskaników niezawodnociowych oraz szacowania obsugiwalnoci pozostaych elementów systemu poboru opat wykorzystano rodowisko oprogramowania w postaci komercyjnych programów Lambda Predict w wersji 3.01 firmy Reliasoft oraz Item oolkit w wersji 7.08 firmy Item Software. Efektem niniejszego opracowania jest wyznaczenie stacjonarnej gotowoci pojedynczego stanowiska punktu poboru opat. Celem prognozy niezawodnoci i obsugiwalnoci elementów systemu poboru opat, jest analiza i ocena systemu pozwalajca na opracowanie harmonogramu pracy systemu przy okrelonej gotowoci w przepisach normatywnych. Sowa kluczowe: metody prognozowania niezawodnoci i obsugiwalnoci obiektów technicznych, system poboru opat, metoda analizy narae czci 1. WSP Analizujc obecny stan systemu poboru opat na tle innych krajów Unii Europejskiej mona zauway, i istniej odlege w czasie moliwoci rozwoju tego systemu wymuszajce eksploatacj manualnego systemu poboru opat (MSP). Modernizacja tego systemu do standardu krajów UE bdzie moliwa nie wczeniej jak po 1 lipca 2011 roku i polega bdzie na budowie Krajowego Systemu Poboru Opat (KSPO). Krajowy System Poboru Opat bdzie eksploatowa dwa rodzaje systemów - elektroniczny system poboru opat (ESP) i manualny system poboru opat (MSP).
48 Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk Naley zauway, e niezawodno KSPO jest szczególnie wana, gdy zapewnia on wpywy z opat za przejazdy po drogach krajowych. Przerwanie dziaalnoci systemu spowoduje utrat wpywów z opat za przejazdy, które to z kolei umoliwiaj utrzymanie infrastruktury drogowej zapewniajc cigo usugi transportowej. Z tego te wzgldu istnieje przesanka do opracowania optymalnej strategii eksploatacji systemu dla ustalonego wyposaenia i wymaganego poziomu gotowoci systemu okrelonego w przepisach normatywnych. Ze wzgldu na fakt i nie napotkano publikacji bezporednio dotyczcych wyznaczonych parametrów niezawodnociowych manualnego systemu poboru opat, wic aby odpowiednio opracowa strategi eksploatacji systemu naley okreli prognozowan niezawodno i obsugiwalno systemu MSP. Opracowanie strategii eksploatacji wymaga stworzenia modelu niezawodnociowego systemu, którego obserwacja umoliwi adaptacj istniejcych strategii w celu spenienia wymaga eksploatacyjno-niezawodnociowych tego systemu a w szczególnoci wymaganego poziomu gotowoci, okrelonego w Podstawowych Wymaganiach echnicznych do Projektowania, Budowy, Eksploatacji i Zwrotu Autostrady opracowanych przez Generaln Dyrekcj Dróg Krajowych i Autostrad oraz Dostosowania autostrady do standardów autostrady patnej i do poboru opat. W celu okrelenia prognozowanej niezawodnoci systemu mona wykorzysta jedn z wielu metod prognozowania niezawodnoci obiektów technicznych. Powszechnie stosowany i uznawany jest model Military Handbook 217 utworzony w celu zapewnienia standardu oceny niezawodnoci elementów elektronicznych i sprztu wojskowego do zwikszenia niezawodnoci projektowanego sprztu. Model ten przedstawia dwa sposoby przewidywania niezawodnoci obiektów technicznych: prognozowanie na podstawie liczebnoci czci (ang. Parts Count) oraz prognozowanie na podstawie analizy narae czci (ang. Part Stress Analysis). Metoda analizy narae czci jest metod bardziej dokadn i w jej przypadku wskanik awaryjnoci dla kadego elementu jest obliczany osobno na podstawie okrelonych poziomów obcienia. Generuje ona zwykle mniejszy wskanik awaryjnoci ni metoda zliczania czci. Ze wzgldu na wysoki poziomu analizy, metoda ta jest bardzo czasochonna w porównaniu z innymi metodami lecz daje bardzo wiarygodne wskaniki awaryjnoci analizowanych elementów elektronicznych obiektów technicznych co skonio do zastosowania tej metody przy prognozowaniu niezawodnoci obiektów technicznych w analizowanym systemie MSP. Szacowanie obsugiwalnoci systemu (ang. Maintainability Prediction) zostao przeprowadzone z wykorzystaniem procedury V metody A standardu MIL-HDBK-472 i opisanych tam standardów, pozwala ona na oszacowanie czasów przestojów wywoanych czasami naprawy zgodnie z procedurami przedstawionymi w powyszym dokumencie, a w szczególnoci wyznaczenia redniego czasu naprawy MR. Do wyznaczenia wartoci wskaników niezawodnociowych oraz szacowania obsugiwalnoci wszystkich elementów systemu poboru opat wykorzystano rodowisko oprogramowania w postaci komercyjnych programów Lambda Predict w wersji 3.01 firmy Reliasoft oraz Item oolkit w wersji 7.08 firmy Item Software.
Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk 49 2. MEODA OCENY NIEZAWODNOCI EKSPLOAACYJNEJ SYSEMU ELEMAYKI AUOSRADOWEJ Celem opracowanej metody oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej w postaci systemu poboru opat jest ocena analizowanego systemu umoliwiajca dostosowanie strategii eksploatacyjnej, która umoliwi spenienie minimalnych wymaga w zakresie niezawodnoci i dostpnoci okrelonych w standardach i przepisach normatywnych. Struktura metody oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej zostaa przedstawiona na rysunku 1a i 1b. Analiza poszczególnych elementów telematyki autostradowej z punktu widzenia niezawodnoci eksploatacyjnej Model procesu eksploatacji ocenianego systemu poboru opat Graf stanów procesu eksploatacji elementów systemu poboru opat Wyznaczenie wskaników niezawodnociowych elementów systemu poboru opat przy pomocy metody szacowania niezawodnoci i obsugiwalnoci obiektów technicznych Wyznaczenie wskaników gotowoci elementów ocenianego systemu poboru opat Rys. 1a. Struktura metody oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej W pocztkowej fazie (Rysunek 1a.) metoda polega na analizie elementów elektromechanicznych analizowanego systemu telematyki autostradowej z punktu widzenia niezawodnoci eksploatacyjnej. Analiza ta uwzgldnia stworzenie modelu procesu eksploatacji systemu poboru opat wraz z grafami stanów procesu eksploatacji poszczególnych elementów systemu poboru opat. W celu wyznaczenia wartoci wskaników intensywnoci przej pomidzy stanami w grafie wymagane jest oszacowanie wskaników z wykorzystaniem metody szacowania niezawodnoci i obsugiwalnoci obiektów technicznych oraz na tej podstawie wyznaczenie wskaników gotowoci elementów ocenianego systemu. W nastpnym kroku metody (Rysunek 1b.) nastpuje porównanie oszacowanych wskaników gotowoci elementów ocenianego systemu poboru opat z wartociami okrelonymi w standardach i przepisach
50 Metoda oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej. normatywnych [10, 11]. W wyniku porównania oszacowanych wartoci gotowoci systemu z wartociami wymaganymi w standardach i przepisach normatywnych istnieje moliwo oceny analizowanego systemu poboru opat i dostosowania jego strategii eksploatacyjnej tak by spenia on wymagan gotowo przedstawion w powyszych wymaganiach i przepisach normatywnych co jest zamierzeniem opracowanej metody. W poniszych rozdziaach referatu przedstawiono zasadniczy etap wyznaczania wskaników niezawodnociowych elementów systemu poboru opat przy pomocy metody szacowania niezawodnoci i obsugiwalnoci obiektów technicznych. Wyznaczenie wskaników niezawodnociowych elementów systemu poboru opat przy pomocy metody szacowania niezawodnoci i obsugiwalnoci obiektów technicznych Wyznaczenie wskaników gotowoci elementów ocenianego systemu poboru opat Porównanie wartoci wskaników z okrelonymi standardami i przepisami normatywnymi Dostosowanie strategii eksploatacyjnej systemu poboru opat na podstawie wyników bada modelu niezawodnociowego systemu Rys. 1b. Struktura metody oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej 3. PROGNOZOWANIE NIEZAWODNOCI ELEMENÓW ECHNICZNYCH NA PRZYKADZIE PLI PRZEJAZDOWEJ W SYSEMIE POBORU OPA Zasadniczym elementem biorcym udzia w procesie poboru opat jest ptla przejazdowa montowana na punktach poboru opat. Zadaniem ptli przejazdowej jest wykrycie obecnoci pojazdu na stanowisku poboru opat. Ogólna zasada dziaania ptli przejazdowej opiera si na zmianie indukcyjnoci cewki wykonanej z przewodu ptli indukcyjnej. Kada z ptli przejazdowych na wjedzie zasilana jest oddzielnym generatorem o innej czstotliwoci. Generowane prdy wirowe w metalowych czciach pojazdu zmniejszaj indukcyjno cewki zwikszajc czstotliwo generatora. Kadej z ptli przypisany jest oddzielny miernik czstotliwoci. Rónica midzy liczb impulsów
Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk 51 zliczonych w kolejnych cyklach pomiarowych jest miar zmiennoci czstotliwoci ptli. Warto progowa czstotliwoci ptli zalena jest od rodzaju pojazdu. Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy ptli indukcyjnej [13] stosowanej w systemach poboru opat na autostradach. Sygna detekcji pojazdu Rys. 2. Schemat blokowy systemu ptli indukcyjnych montowanych na stanowisku poboru opat Stosujc metod analizy narae czci na przykadzie oceny przewidywanego wspóczynnika uszkodze wzmacniacza wejciowego (Rys. 2.) ptli indukcyjnej, dla elementów rezystorowych, przyjto nastpujc zaleno [4]: gdzie: p wskanik uszkodze czci, b bazowy wskanik uszkodze, E wspóczynnik rodowiskowy, wspóczynnik oddziaywania temperatury, S wspóczynnik obcienia, P wspóczynnik strat mocy, Q wspóczynnik jakociowy, [FPMH ] (1) p b P S Q E
52 Metoda oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej. -DC Switch + DC Rys. 2. Schemat wzmacniacza wejciowego ptli indukcyjnej Dla rezystorów typu RC mamy [5]: 0,0017 (2) b exp Ea 1 1 1,137 8,617 10 5 273 298 (3) 0,39 0,39 ( power dissipation) (0,1) 0,407 (4) P 2,493 (5) S 10 (6) Q 1,0 (7) Std cakowity przewidywany wskanik uszkodze czci dla 7 rezystorów typu RC wynosi: E 0,0017 1,137 0,407 2,493 10 1,0 7 0,137 [ FPMH ] (8) p Dla kondensatorów wzmacniacza wejciowego do oceny przewidywanego wskanika uszkodze mamy [6]: [FPMH] (9) p b Analizujc jak powyej dla 4 kondensatorów typu CK mamy [6]: cv Q E S SR
Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk 53 0,00099 (10) b 0,09 C 0,1 0,09 0,812 (11) CV 10 (12) Q 1,0 (13) E exp Ea 1 1 1,25 8,617 10 5 273 298 (14) 3 3 S 0,8 S 1 1 3,37 (15) 0,6 0,6 1,0 (16) SR Std cakowity przewidywany wskanik uszkodze czci dla 4 kondensatorów typu CK wynosi: 0,00099 0,812101,25 3,37 1,0 4 0,135 [ FPMH] (17) p Obliczajc analogicznie jak powyej dla wszystkich elementów mona stwierdzi, e cakowity przewidywany wskanik uszkodze wzmacniacza wejciowego ptli indukcyjnej wynosi: 0,137 0,135 0,278 0,00629 0,56 [ FPMH] (18) InAMP p Analizujc podobnie pozostae obiekty techniczne bdce skadowymi ptli przejazdowej z wykorzystaniem rodowiska oprogramowania w postaci programu Lambda Predict w wersji 3.01 firmy Reliasoft, otrzymano nastpujcy przewidywany cakowity wskanik uszkodze: std: 0,00652 0,56 0,437 1,160 0,163 7,068 0,15 9,544 [ FPMH] (19) MBF 1 104 777,87 [ hrs] 105 000 [ hrs] (20)
54 Metoda oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej. 4. PROGNOZOWANIE OBSUGIWALNOCI ELEMENÓW ECHNICZNYCH NA PRZYKADZIE PLI PRZEJAZDOWEJ W SYSEMIE POBORU OPA Prognoza obsugiwalnoci systemu (ang. Maintainability Prediction of the System) zostaa przeprowadzona na podstawie dokumentu MIL-HDBK-472, procedury V, metody A i opisanych tam standardów, pozwala na oszacowanie czasów przestojów wywoanych czasami naprawy zgodnie z procedurami przedstawionymi w powyszym dokumencie, a w szczególnoci wyznaczenia redniego czasu naprawy MR (ang. Mean ime o Repair). Znajc ilo czci RI (ang. Repleacable Items) lub grup czci wymiennych (ang. group of RI s) w analizowanym systemie oraz ich przewidywane wskaniki uszkodze moemy okreli dla poszczególnego komponentu lub grupy komponentów parametry wskaników obsugiwalnoci systemu. Aby okreli poprawnie obsugiwalno systemu naley uwzgldni nastpujce zadania obsugi systemu: Przygotowanie (ang. Preparation), Izolacja uszkodzenia (ang. Fault Isolation), Naprawa uszkodzenia (ang. Fault Correction). Czas potrzebny do wykonania powyszych zada jest nazywany elementem MR. Poniej w tabeli 1 przedstawiono definicje elementów MR [7]. abela 1. Definicja elementów MR Element MR Definicja Przygotowanie Czas zwizany z wykonaniem zada przed procesem izolacji P nj Izolacja uszkodzenia FI nj Demonta D nj Wymiana I nj Monta R nj Stabilizacja systemu A nj Czas sprawdzania dziaania Czas uruchomienia S nj C nj uszkodzenia w systemie Czas zwizany z wykonaniem zada potrzebnych w procesie izolowania uszkodzenia do uzyskania poziomu przy którym nastpi poprawa zaistniaego uszkodzenia w systemie Czas zwizany z uzyskaniem dostpu do czci wymiennej RI lub identyfikacji wymiennego elementu uszkodzonego w systemie Czas zwizany z usuniciem i zamian uszkodzonego elementu lub elementu podejrzanego o wadliwe dziaanie Czas zwizany z montaem elementu wymienianego i zainstalowaniem go w systemie Czas zwizany ze stabilizacj systemu lub wymienionego elementu po jego zamontowaniu w systemie Czas potrzebny na weryfikacj poprawnoci dziaania systemu lub wymienionego elementu Czas potrzebny na zadziaanie systemu do poziomu jego operacyjnoci Na podstawie standardu Military Handbook: Maintainability Prediction. USA Department of Defense, MIL-HDBK-472 Notice 1 dla kadego z analizowanych elementów ptli indukcyjnej zdefiniowano czasy wykonania elementarnych procesów dla poszczególnych elementów MR [8].
Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk 55 Zaoono e w analizowanym systemie jakim jest ptla przejazdowa znajduje si 11 grup elementów wymiennych wraz z oszacowanymi powyej wskanikami intensywnoci uszkodze zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 1. Podstawowy model predykcyjny zastosowany do oblicze ma nastpujc posta: MR Pnj FInj gdzie: - redni czas m-tego elementu MR m Dnj I nj Rnj Anj Cnj Snj M m m1 (21) Analizujc elementy ptli indukcyjnej z wykorzystaniem oprogramowania Item oolkit w wersji 7.08 firmy Item Software, otrzymano cakowity przewidywany czas naprawy ptli indukcyjnej MR: MR Pnj FInj Dnj Inj Rnj Anj Cnj Snj M m m1 0,35 [ hrs] (22) gdzie: 1 1 2,857 [ hrs ] (23) MR 5. WYZNACZENIE SACJONARNEJ GOOWOCI POJEDYNCZEGO SANOWISKA SYSEMU POBORU OPA Na podstawie dziaania pojedynczego stanowiska poboru opat mona stwierdzie posiada ono niezawodnociow struktur szeregow. Przyjto, e obiekt skadajcy si z n niezalenych elementów krytycznych ma struktur szeregow. W chwili uszkodzenia jakiegokolwiek elementu nastpuje utrata zdatnoci obiektu i przejcie w stan niezdatnoci. Element uszkodzony jest naprawiany. Naprawa elementu krytycznego przywraca mu pen zdatno. Macierz intensywnoci przej dla pojedynczego stanowiska wjazdowego PPO ma posta: 14 0 0 41 0 0 0 1 2 3 Std stacjonarna gotowo dla pojedynczego stanowiska wjazdowego PPO ma posta: 0 42 24 43 34 (24)
56 Metoda oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej. K g P wjazdowa 4 1 1 3 4 j j1 j4 j 1,2...3 i 1,2... 3 Uwzgldniajc powyej oszacowane intensywnoci uszkodze i napraw dla pojedynczego stanowiska PPO mamy: (25) K g wjazdowa 0,99863 (26) Dostpno (ang. Availability), czyli wymagany wskanik gotowoci pojedynczego stanowiska w Systemie Poboru Opat wedug przepisów normatywnych [9] wynosi: A S MBF 4380 0,9995436 MBF MR 4380 2 (27) 6. WNIOSKI Przedstawiona metody oceny niezawodnoci eksploatacyjnej systemu telematyki autostradowej umoliwia oceni system poboru opat pod ktem przepisów normatywnych [10, 11]. Ocena systemu pozwala stwierdzi i istnieje moliwo dostosowania strategii procesu eksploatacji manualnego systemu poboru opat, która pozwala na spenienie warunków okrelonych w standardach i przepisach normatywnych. Bibliografia 1. Chowdhury M., A., Sadek A.: Fundamentals of Intelligent ransportation Systems Planning, Artech House, Boston, London 2003 2. Kasprzyk Z., Siergiejczyk M.: Zastosowanie metody analizy narae czci do prognozowania niezawodnoci obiektów technicznych na przykadzie ptli przejazdowej stosowanej w systemie poboru opat. XXXVIII Konferencja Naukowa Zimowa Szkoa Niezawodnoci 2010. Problemy Eksploatacji - Zeszyty naukowe Instytutu echnologii Eksploatacji PIB, Radom 2009. 3. Kasprzyk Z.: Predicting reliability of technical elements taking part In the process of the oll collect on the highway. IX Midzynarodowa Konferencja elematyka Systemów ransportowych w dniach 4 7 listopada 2009 w Katowicach i Ustroniu. Monografia Advences In ransport Systems elematics Warszawa WK 2009. 4. Military Handbook: Reliability Prediction of Electronic Equipment. USA Department of Defense, MIL- HDBK-217F: 9.1 RESISORS, 28.II.1995 r. 5. Military Handbook: Reliability Prediction of Electronic Equipment. USA Department of Defense, MIL- HDBK-217F Notice 2: 9.1 RESISORS, 28.II.1995 r.: Base Failure Rate b 6. Military Handbook: Reliability Prediction of Electronic Equipment. USA Department of Defense, MIL- HDBK-217F Notice 2: 10.1 CAPACIORS, FIXED, CERAMIC, GENERAL PURPOSE 28.II.1995 r
Zbigniew Kasprzyk, Mirosaw Siergiejczyk 57 7. Military Handbook: Maintainability Prediction. USA Department of Defense, MIL-HDBK-472 Notice 1 : 3.1 MR elements. 8. Military Handbook: Maintainability Prediction. USA Department of Defense, MIL-HDBK-472 Notice 1 : 3.1 MR elements, able A-V-1 Elemental maintenance actions. 9. Nowacki G., Mitraszewska I., Kamiski., Wojciechowski A.: he National Automatic oll Collection System Proposal for Poland. Motor ransport Institute 80 Jagielloska Street, 03-301 Warsaw, Poland. 10. Podstawowe Wymagania echniczne do Projektowania, Budowy, Eksploatacji i Zwrotu Autostrady opracowane przez Generaln Dyrekcj Dróg Krajowych i Autostrad. 11. Zaprojektowanie i wykonanie dostosowania autostrady do standardów autostrady patnej i do poboru opat. Zacznik C System Poboru Opat. 12. Siergiejczyk M., Lewiski A.: Zagadnienia oceny bezpieczestwa i niezawodnoci mikroprocesorowych systemów sterowania ruchem kolejowym. VII Konferencja Naukowa Bezpieczestwo Systemów' 98. Informator IWL nr 347/98, Warszawa 1998 13. United States Patent, Appl. No. 777,854 VEHICLE PRESENCE LOOP DEECOR. HE MEHODOLOGY OF OPERAIONAL RELIABILIY EVALUAION OF HE ELEMAIC HIGHWAY SYSEM IN HE AIM OF HE SUDY OF HIS EXPLOIAION SRAEGY Abstract: he article presents the conception of the Parts Stress Analysis prediction method and Maintainability Prediction method procedures on the example of inductive loop in the toll collection system. he effect of the present study is the assignment of the stationary availability of the single station in toll collect system. he aim of the reliability and maintainability prediction is the analysis and evaluation of the system allowing to elaborate of the work schedule of the system together with the defined availability in the standards. Keywords: he methods of predicting the reliability and maintainability of the technical objects, the toll collection system, the Parts Stress Analysis method Recenzent: Wodzimierz Choromaski