«Автоматика и системотехника», (ТОГУ)
Взаимоотношения базовых принципов в технической диагностике
Воронин В.В. - д-р техн. наук, проф. Кафедры
Аннотация
В статье сформулированы три теоретических принципа разработки диагностического обеспечения для технических объектов, а именно: принцип доминирования - знания о множестве возможных дефектов объекта диагностирования доминируют все остальные виды диагностических знаний; принцип пяти системных представлений объекта диагностирования - в задаче поиска дефектов с максимальной глубиной в общем случае необходимы знания о внешнем, деградационном и структурных представлениях объекта диагностирования; принцип соответствия - эксплуатационную надёжность объекта диагностирования необходимо поддерживать соответствующей ему эффективной системой технического обслуживания. Основная цель работы - установить взаимозависимость между данными принципами. Кроме того, перечисленные принципы анализируются в отношении основных диагностических задач и различных классов технических объектов диагностирования, а также рекомендуются к использованию при разработке диагностического обеспечения технических систем, включая разработку и сопровождение диагностических экспертных систем.
Ключевые слова: надёжность, техническая диагностика, диагностические принципы, поиск дефектов, системные представления объекта диагностирования, диагностические экспертные системы.
Abstract
The relationship of Basic Principles in Technical Diagnostics
Voronin V. V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation.
The article formulates three theoretical principles for the development of diagnostic support for technical objects, namely: the principle; the principle of five systemic representations of the object of diagnosis; the principle of conformity. The main purpose of the work is to establish the interdependence between these principles.
Key words: reliability, technical diagnostics, diagnostic principles, search for defects, systemic representations of the diagnostic object, diagnostic expert systems.
Введение
Теоретическую диагностику по используемому математическому аппарату принято делить на несколько практически не взаимосвязанных направлений (диагностика аналоговых и дискретных объектов, статистическая и функциональная диагностика, неразрушающий контроль и др.). Поэтому актуальна проблема выявления базовых положений, которые способствовали бы интеграции известных диагностических направлений в единую теорию.
История развития техники говорит о том, что, несмотря на рост сложности объектов и отсутствие единой теории, практика поиска дефектов в сложных системах, включая транспортные и технологические машины и комплексы, остаётся достаточно успешной. Основу такого успеха составляют знания индивидуальных особенностей объекта диагностирования ( ОД) и условий его эксплуатации. Такие знания являются в основном неформальными, и специалисты-практики приобретают их не из печатных источников, а накапливает в длительном процессе профессиональной деятельности.
Известен общепринятый способ сохранения и накапливания профессиональных формальных и неформальных знаний - это экспертные системы. В области диагностических экспертных систем в двойне актуальна проблема выявления и анализа базовых диагностических положений, способствующих существенному улучшению потребительских свойств таких систем.
В монографии [1] предложено в технической диагностике выделить три вида фундаментальных знаний, а именно: знания о возможных дефектах, знания о возможных диагностических проверках и знания о структурной организации ОД.
В данной работе каждый вид этих фундаментальных знаний трансформирован в отдельный теоретический принцип, и проведено исследование их взаимозависимости.
Проблема выявления и анализа фундаментальных принципов технической диагностики в современных источниках в явном виде не ставится и не анализируется. Тем не менее косвенное обсуждение этой проблемы имеет место в монографии [2]. Здесь рассматривается методология анализа и синтеза систем диагностики, а результаты исследований представлены в виде базовых системно-технических решений. В монографии [3] исследованы базовые вопросы физических полей в рамках внешнего представления ОД и его взаимоотношения с системой технического обслуживания.
Вопросам использования базовых знаний в диагностических приложениях уделяется достаточно большое внимание. Оно дифференцировано по классах объектов диагностирования. В монографии [4] обобщены результаты исследований научно-методических основ формирования структурных блоков объектов машинно-тракторного парка АПК при их диагностировании и техническом обслуживании.
В статье [5] рассматривается задача диагностирования технического состояния здания и его инженерных систем в течение жизненного цикла, а также исследованы общие методы и способы контроля эксплуатационных параметров здания перед проведением ремонтных работ. Описаны возможные нарушения в строительных конструкциях, требующие устранения в ходе капитального ремонта.
В монографии [6] характеризуются общие задачи совершенствования мониторинга технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем на основе данных об остаточном ресурсе и практическая реализация мероприятий продления жизненного цикла сооружений, обеспечивающих повышение их эксплуатационной надёжности.
В издании [7] представлены обобщающие результаты научных исследований, направленные на повышение эксплуатационной надёжности редукторов экскаваторно-автомобильных комплексов за счёт введения в систему технического обслуживания и ремонта подсистемы диагностирования их текущего технического состояния.
Теоретические принципы разработки диагностического обеспечения
Сформулируем три фундаментальных принципа для разработки диагностического обеспечения сложных технических систем.
Первый - принцип доминирования, множество возможных дефектов и его особенности являются главным основанием для синтеза структурных представлений об ОД и для назначения элементов множества возможных проверок.
Второй - принцип пяти системных представлений, в задаче поиска дефектов в общем случае следует различать пять системных представлений ОД и применять их в заранее определённом порядке.
Третий - принцип соответствия, система технического обслуживания (СТО) должна соответствовать своему техническому объекту.
Проанализируем эти принципы на предмет их содержания и взаимозависимости.
Принцип доминирования. В большинстве публикаций в области технической диагностики в задаче поиска дефектов авторы отталкиваются от "множества заданных дефектов", элементы которого следует идентифицировать [8 -9]. Кроме того, в этих работах понятие дефекта является абстрактной сущностью - "модель дефекта", а такой подход на практике требует в технологии поиска дополнительно иметь соответствие между модельными и реальными физическими дефектами. Это отдельная сложная проблема.
В такой ситуации предлагается за отправную точку взять не множество заданных модельных дефектов, а множество реально возможных дефектов. В этом случае в технической диагностике появляется ряд логически взаимосвязанных направлений исследований, а именно: описание элементов множества возможных дефектов, исследование отношений на множестве возможных дефектов, распределение элементов этого множества по структурным представлениям ОД, анализ соответствия системы технического обслуживания данному ОД и условиям его эксплуатации. Ожидаемые результаты этих исследований обуславливаются множеством возможных дефектов данного ОД. Таким образом, первый из трёх предлагаемых принципов технологически имеет более высокий статус.
В общем случае, формальное описание множество возможных дефектов представим в виде следующего выражения.
В выражении (1) все элементы, кроме последнего, являются идентификаторами дефектов. Здесь есть две взаимосвязанные проблемы, а именно: на что указывает каждый идентификатор и чему равняется п? Эти проблемы характеризуют пространственно-временную определённость множества возможных дефектов [1].
Каждый элемент di, являясь именем дефекта, не фиксирует в общем случае его пространственную определённость. Например, короткое замыкание на корпус определённого провода в определённом жгуте электрооборудования определённого экземпляра транспортной или технологической машины возможно в различных местах корпуса. Такой дефект имеет один идентификатор или несколько? С другой стороны, количество элементов в (1) в процессе эксплуатации данного класса ОД изменяется, как правило, увеличивается - дефекты из области возможного переходят в область реального. Множество (1) в этом отношении характеризуется свойством «открытости». Для моделирования этого свойства в его состав включим особый элемент - множество {null}, представляющий в (1) все неизвестные пока дефекты.
Принцип пяти системных представлений ОД. Анализ системных свойств транспортных и технологических машин как объектов диагностирования позволил выделить пять их системных представлений. Это внешнее, деградаци- онное и три структурных представления - иерархическое, функциональное и конструктивное.
В общем случае субъекты диагностической деятельности учитывают все пять системных представлений и применяют их в заранее фиксированном порядке. Этот порядок зададим следующей последовательностью содержательных операций.
Идентификация экземпляра ОД на основании его внешнего представления, оценка его внешних диагностических показателей.
Оценка показателей надёжности ОД на основании его деградационного представления с целью оптимизации процесса поиска.
Локализация логического дефекта с точностью до предельной подсистемы или отношения координации предельных подсистем в рамках иерархического представления ОД.
Локализация логического дефекта с точностью до функционального блока или связи блоков в пределах функционального представления текущей предельной системы.
Локализация дефекта в области, ограниченной функциональным блоком, с помощью конструктивного представления этого блока.
Достаточно полные характеристики структурных представлений даётся в [1], а деградационного и внешнего в [10] и [11]. В [1] также рекомендуется в основу глобального алгоритма функционирования диагностических экспертных систем положить приведённую выше последовательность действий.
Принцип соответствия. Основное содержание принципа соответствия заключается в том, что, во-первых, чем надёжнее объект, тем более простая СТО ему требуется; во-вторых, принятая технология ремонта вносит существенные особенности в технологию поиска дефектов.
Проанализируем первое утверждение. Поставим в соответствие отрезку [ti, ta], где ti и t2, соответственно, моменты начала и окончания эксплуатационного цикла, некоторый обобщённый показатель надёжности P
где индекс Т обозначает требуемый (необходимый) уровень показателя.
Пусть текущий этап развития техники и технологии позволяет обеспечить объекту без учёта СТО значение показателя Pd (индекс D обозначает фактически достижимый уровень показателя). Тогда разность AP = Рт - Pd позволяет оценить взаимозависимость между надёжностью объект и его СТО. Если AP < 0, то возможный уровень надёжности объекта превышает требуемый (объекту СТО не нужна). Если AP > 0, возможная надёжность объекта меньше чем требуемая и объекту СТО необходима. Для оценки взаимозависимости между объектом и его СТО предложим следующий критерий
где Pc - показатель надёжности объекта при определённой СТО (AP >0). При Рс=Рт имеем К=0, что соответствует полной компенсации AP данной СТО и это идеальный вариант. Следующий граничный вариант имеет место при Рс=Рп. Для него К=1 и это значение свидетельствует о бесполезности данной СТО. Из принадлежности Pc є[Pd, Рт] следует истинность Кє[1, 0], которая характеризует целесообразные значения критерия (СТО должна рассматриваться как компенсатор недостающей врождённой надёжности объекта).
Второе утверждение (принятая технология ремонта вносит существенные особенности в технологию поиска дефектов) характеризует взаимоотношения между принципом соответствия и принципом пяти системных представлений, и оно анализируется в следующем подразделе.
Взаимоотношения базовых принципов
Предложенные теоретические базовые принципы разработки диагностического обеспечения органически взаимосвязаны. В общем случае для трёх элементов можно проанализировать шесть абстрактных каналов взаимного влияния. На рис. 1 приведена иллюстрация этих каналов взаимовлияния. Ниже анализируется каждый канал в отдельности.
Рис. 1. Треугольник взаимовлияния базовых принципов
Первый канал. Множество возможных дефектов главным образом определяет потребительские свойства системных представлений ОД. Другими словами, объективное содержание диагностических задач - реально возможные дефекты - должно адекватно отображаться субъективными диагностическими моделями (DM): внешними DM-V, деградационными DM-D, иерархическими DM- I, функциональными DM-F и конструктивными DM-K. Субъект диагностической деятельности при разработке моделей обязан отталкиваться от текущего множества возможных дефектов, расширение или уточнение которого должно активизировать соответствующие изменение в DM.
Второй канал. Обратный по отношению к предыдущему (первому). Полное конструктивное представление ОД (вся предельно широкая структура технического объекта) может иметь свои элементы в выражении (1). Такие элементы принято называть конструктивными или технологическими дефектами. При наличии обратной связи этапа эксплуатации с этапом производства такие дефекты производитель обычно устраняет.
Третий канал. Множество возможных дефектов главным образом определяет потребительские свойства СТО (Maintenance system). Конкретное содержание множества (1) обуславливает определённый набор технических средств необходимых для локализации элементов этого множества. А фактическое наличие или отсутствие некоторых элементов из набора необходимых технических средств диагностирования, в свою очередь, влияет на принятие решений о методах восстановления (устранение физического дефекта, ремонт типовыми блоками замены, замена объекта полностью и др.). диагностический технический экспертный