CC BY
47
УДК 677:628.517.2
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ ГЛОБАЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ОБРАЗА
© О.Н. Поболь, Г.И. Фирсов
Ключевые слова: техносфера; техническая акустика; иерархическая модель; экология технических систем. Разработана обобщенная модель иерархической структуры технологических объектов как источников акустической энергии и рассмотрены характерные примеры применения системной методологии при решении задач технической акустики. Использование этого подхода позволило уточнить существующие представления об объектах и получить новые решения.
Одной из основных проблем современной экологической акустики машин является поиск закономерностей протекания акустических явлений и их связей с другими техническими и экологическими параметрами на всех стадиях жизненного цикла машин с целью построения глобальной акустической модели техногенной системы, которая интегрально объемлет весь объем знаний о машине, описывает ее реальное поведение и формирует ее реальный акустический образ [1].
Научное исследование технического объекта в экологии направлено на установление зависимости между входным воздействием и результатом на выходе с целью управления процессом для ограничения его негативного воздействия. Инженерное сознание ориентировано на восприятие технических объектов в рамках классических точных наук, которые используют модели, выражающие однозначную зависимость между сигналами X на входе и У на выходе в виде передаточной функции с оператором отображения Я объекта
У=Я(Х). (1)
Такие объекты являются простыми техническими системами. Оператор отображения Я этих систем представляется в виде детерминированной функции связей элементов системы, ее структуры.
Техносфера, искусственная среда обитания современного человечества, образована сложными человекомашинными компьютеризированными техногенными системами (ТС), подобными живым организмам. ТС представляют собой синергетические системы, основные свойства которых проявляются в самоорганизации сложной иерархической структуры [2]. Главным фактором, определяющим способность сложных систем к целенаправленных средоформирующим действиям, является наличие внутри системы тезауруса - информационной модели среды (отображение среды) и самой себя (самоотображение) [3]. Фундаментальная физическая характеристика такой системы - энтропия зависит от ее самоотображения, существование и характер которого определяется структурой системы. Самоорганизующаяся целенаправленная система обладает способностью моделировать и прогнозировать ситуацию
вследствие наличия априорной информации о среде (образ среды) и о себе (образ системы), способности воспринимать внешние воздействия. Самоотображение системы, называемое тезаурусом, есть совокупность знаний о системе, накопленная специалистами, человечеством.
Основной объект системного исследования в акустической экологии - сложная система, способная управлять своим поведением в зависимости от внутренней цели. Поведение такой целенаправленной системы у зависит от внешнего воздействия Х и предполагаемого его изменения Х(Г,у), зависящего от его поведения при достижении цели 1
У = й (г, X, X ( ?) ) , (2)
где 7 - самооценка входных сигналов, так что X (7) = = Х^,у); Г - текущее время.
Целенаправленное поведение системы, сопровождающееся уменьшением энтропии, формируется посредством управления. При адаптивном управлении решение осуществляется фрагментарным копированием подсистемами высшего уровня взаимного поведения с добавлением комбинаторных и случайных факторов. В этом случае система должна быть описана в нескольких функциональных пространствах, которые согласуются между собой в некотором подпространстве большей общности. Синтез этого пространства, реализуемый в рассматриваемом случае в виде акустического образа объекта, позволяет обнаружить новые его свойства.
Формирование акустического образа техногенной системы основывается на методах теории распознавания образов и искусственного интеллекта. Основные направления реализации акустического образа техногенной системы с использованием подходов искусственного интеллекта включают в себя: самообучение и расширение техносферного сознания; выработку стратегии нормативного поведения; ситуационную обработку информации о рабочем состоянии техногенной системы и принятие решений в сверхреальном времени; соотнесение интуитивно-зрительной и системной информации; уточнение целей и путей решения задач
жизнедеятельности техногенной системы; создание гибких интеллектуальных систем, объединяющих экспертные системы и пакеты прикладных программ с возможностью прямого общения; разработку интеллектуальных технологий производства машин, товаров и услуг; возвращение к образному мышлению; соединение сферы знаний с миром вещей.
С помощью акустического образа обеспечивается объединение сферы знаний с реальным управлением машиной в техносфере, расширение техногенного сознания до разработки интеллектуальных технологий производства машин, товаров и услуг. Несмотря на то, что виброакустическая инженерия и методы испытаний быстро развиваются, все еще ощущается недостаток совместного рассмотрения всех разделов - анализа надежности, структурной динамики, вопросов акустического излучения и т. д. и, наконец, диагностического анализа. Для машин большинства типов такие глобальные модели не существуют, поэтому диагностический подход главным образом основан на экспертных знаниях. Проблема управления в течение всей жизнедеятельности машины должна быть ориентирована на распознавание технических состояний объекта по параметрам акустических процессов, формирующих акустический образ. В случае, когда нет характерных диагностических признаков и система не может быть промоделирована математически, начинают демонстрировать свое превосходство методы распознавания образов и искусственного интеллекта, реализованные в нейронных сетях.
На стадии проектирования целью является создание интегральной акустической модели, описывающей поведение машины на всех стадиях жизнедеятельности, с учетом реальных нагрузок и процессов физической деградации. Такая модель позволит получить акустический образ как пространство акустических характеристик, имеющих биективное соответствие со множеством конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров машины. Это позволит разработать средства и наметить решения по активному и пассивному управлению акустическими полями и машиной с целью снижения акустического загрязнения среды и обеспечить качество и безопасность производства и эксплуатации машин. На стадии производства мониторинг шумовых и вибрационных характеристик машины и ее элементов выполняется с целью удовлетворения пороговым уровням, зафиксированным в стандартах и технических условиях на рассматриваемые объекты [4-5]. Существование превышений над этими уровнями и акустическая диагностика технологических дефектов является основой для управления технологическими процессами производства с целью достижения заданного акустического качества машины. На стадии эксплуатации мониторинг акустических характеристик машины позволяет на основе акустического образа проследить развитие деградационных процессов, детектировать зарождающиеся эксплуатационные дефекты в машине и конструкции на ранней стадии развития и предупреждать катастрофы.
Практически в настоящее время исследования и разработки в этой области уже находятся на стадии, которая создаст основу самоорганизационного уровня управления. Однако они часто выполняются разрозненно, без связи и осознанной координации применительно к этой цели, без учета всех особенностей техногенной системы.
Особенностью виброакустических процессов, сопровождающих функционирование техногенной системы и отражающих появление деградационных процессов, является их хаотический характер, вызванный не только наличием автоколебательных режимов (процессы трения при резании металлов, поведение ротора на подшипниках скольжения, процессы горения в ГТД и т. д.), но и одновременным действием большого числа разнородных факторов [6]. В этом случае при моделировании и описании эффективно рассмотрение хаотических колебаний нелинейных динамических систем с позиций синергетики - науки о самоорганизации и кооперативном поведении, изучающей наиболее общие закономерности в переходах из неупорядоченных состояний в высокоупорядоченные и обратно. Характерная особенность техногенных систем - непрерывная приспособляемость к изменяющимся внешним и внутренним условиям и непрерывное совершенствование функционирования при неизменных условиях с учетом прошлого опыта.
При этом реализуются три типа процессов самор-ганизации: процессы самозарождения организации, т. е. возникновение из некоторой совокупности целостных объектов определенного уровня новой целостной системы со своими специфическими закономерностями; процессы, благодаря которым система поддерживает определенный уровень организации при изменении внешних и внутренних условий ее функционирования; процессы, связанные с совершенствованием и саморазвитием таких систем, которые способны накапливать и использовать прошлый опыт. Существенной особенностью организации самоорганизующихся систем является их иерархическое строение. Синергетика акцентирует внимание на когерентном, согласованном характере процессов самоорганизации в сложных системах [7].
Во многих синергетических моделях центральным моментом является рассмотрение т. н. «резонансных возбуждений». Имеется в виду, что многие нелинейные процессы характеризуются стадией, когда система особенно чутка к воздействиям, согласованным с ее внутренними свойствами. Другой характеристикой является фазовый переход, соответствующий специфическому поведению свободной энергии в критической точке. Прежде всего, это такие режимы поведения системы, когда при плавном монотонном изменении некоторых параметров в некоторой критической точке происходит резкий скачок в изменении состояния системы с переходом на качественно новый уровень, с иными формами поведения. Критические режимы при фазовых переходах сопровождаются резким возрастанием флуктуаций.
Аналогичные подходы эффективно применять также к высокочастотным колебаниям. Так, наряду со стандартным спектральным анализом сигналов акустической эмиссии могут использоваться методы, основанные на применении теории хаотических колебаний нелинейных динамических систем. В качестве признаков, характеризующих степень поврежденности конструкции, целесообразно использовать максимальный ляпуновский показатель, корреляционную размерность, энтропии Шеннона и Больцмана, вычисляемые по методике Ю.Л. Климонтовича. Указанные параметры определяются для каждой ступени увеличения нагрузки начиная с упругой стадии и до момента разрушения. Полученные результаты позволяют оценить
при натурных испытаниях машиностроительных конструкций не только степень дефектности, но и факторы, определяющие качество исходного неповрежденного материала.
В качестве критерия относительной степени упорядоченности неравновесных состояний открытых систем (самоорганизации) целесообразно выбрать энтропию Больцмана-Гиббса-Шеннона, перенормированную к заданному значению средней эффективной энергии и обобщенно сформулированную в виде <& теоремы» Ю.Л. Климонтовича. Этот критерий позволяет также проверить правильность выбора управляющих параметров. Изучение эволюции реальных систем - это исследование «отклика» равновесного функционирования систем на внешнее воздействие. При этом можно предсказать структуру устойчивых равновесных функциональных состояний «реальных» систем, а также степень упорядочения организации системы в целом с учетом иерархии ее составляющих. Бифуркации являются ключевыми факторами самопроизвольного появления структур с упорядоченной пространственновременной организацией. Наличие пространственной или временной самоорганизации в первоначально однородной среде является проявлением неустойчивости, которая нарушает симметрию. Цепь периодических параметрических бифуркаций приводит к возрастанию иерархической сложности организации системы. Общие закономерности поведения самоорганизующихся систем различной природы позволяют обосновать общие принципы их контроля.
Все упомянутые принципы и подходы являются основой создания видео-акустического образа техногенной системы машины. На первом этапе его формирования важнейшее значение имеет разработка системы экологического мониторинга, обеспечивающего идентификацию и контроль конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров машины. Глобальная экологическая модель техносферы, разработка которой интенсивно ведется наукой во всех передовых странах, является обобщением системы соответствующих синергетических моделей, составляющих ТС, используемых при адаптивном управлении [8].
Акустическая модель в этом аспекте представляет собой взаимосвязанный подсистемный элемент экологической модели. Кроме акустической безопасности, она должна обеспечивать постоянный мониторинг, диагностику аварий и катастроф и управление ТС. Ее базой должен быть глобальный акустический образ человеко-машинных ТС (с использованием искусственного интеллекта), который интегрально включает весь объем знаний о таких системах на всех стадиях жизнедеятельности, с учетом реальных нагрузок, условий работы и процессов физической и психической деградации. Образ ТС в соответствии с уравнением (2) является суперпозицией отображений R в классах вероятностных, нечетких, толерантных и других множеств конструктивных К, технологических Т, эксплуатационных Е и психофизических D (для человека) параметров системы в пространство А образа, как объединения подпространств диагностических признаков A1, A2, A3 и A4:
R1 : K ^ A1; R2 : T ^ A2; R3 : E ^ A3; R4 : D ^ A4;
где R1, R2, R3 и R4 - отображения множеств К, Т, Е, D параметров на подпространства A1 с A, A2 с A, A3 с A и A4 с A.
Имея акустический образ А, можно осуществлять обратные отображения на соответствующие множества параметров и воздействовать на объект с целью обеспечения заданных характеристик ТС. Это предполагает решение обратных задач моделирования, что позволит создать систему активного и пассивного управления акустическими полями и объектами в реальном времени в части поддержания необходимого качества и уровня безопасности с использованием моделей вида (1).
Наличие акустической модели ТС в виде акустического образа позволяет осуществлять интеллектуальное (на основе искусственного интеллекта) полностью автоматизированное проектирование по акустическим параметрам и оперативное координационное управление ТС в реальном времени на всех стадиях жизненного цикла (при наличии постоянного мониторинга), исключающее аварии и техногенные катастрофы. Управление по акустическим процессам реализуется путем создания проекта машины, который на первом уровне сводится к стандартному техническому проекту, создаваемому с учетом эмпирического подхода к акустическим характеристикам; на втором уровне этот проект включает акустический проект, созданный на основе системы моделей; на третьем уровне создается экологический проект (синтез) машины, созданный на основе модели единой системы функционирования машины, включающий также технические и другие критерии и обеспечивающий возможность управления машиной на всех стадиях жизненного цикла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pobol O.N., Panov S.N., Firsov G.I. The Ecological Acoustics of Machines: System Simulation and Machine Control in the Technosphere // Fourth International Congress on Sound and Vibration (St. Petersburg, 24-27 June 1996): Proceedings / еd. by M.J. Crocker, N.I. Ivanov. St. Petersburg, 1996. V. 2. P. 1107-1114.
2. Поболь О.Н., Фирсов Г.И. Техносфера, ноосфера и экологические проблемы современных техногенных систем // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 3. С. 1073-1076.
3. Поболь О.Н., Фирсов Г.И. Экология и техносфера: проблемы и перспективы. II // Современные проблемы науки и образования. 2006. № 6. С. 75.
4. Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методическое обеспечение автоматизированного эксперимента в динамике машин // Методическое и программное обеспечение автоматизированного эксперимента в динамике машин. М., 1989. C. 5-132.
5. Поболь О.Н., Фирсов Г.И. Оценка шумовых характеристик машин в цеховых условиях (на примере текстильной и легкой промышленности) // Вестник научно-технического развития. 2010. № 12 (40). С. 12-20.
6. Добрынин С.А., Фельдман М.С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибраций машин. М., 1987. 224 с.
7. Поболь О.Н. Основы акустической экологии и шумозащита машин. М., 2002. 272 с.
8. Поболь О.Н., Фирсов Г.И. Проблемы системного подхода к решению задач экологии технических объектов // Вестник научнотехнического развития. 2013. № 12 (76). С. 20-34.
Поступила в редакцию 23 мая 2014 г.
Pobol O.N., Firsov G.I. PROBLEMS OF ECOLOGICAL MONITORING AND CONTROL TECHNOGENIC SYSTEM ON BASIS GLOBAL ACOUSTIC MEANS
The unified model of the hierarchical structure of technological objects as the sources of acoustic energy is developed and
characteristic examples of the application of system methodology during the solution of the problems of acoustic engineering are examined. The use of this approach made it possible to refine
the existing ideas about the objects and to obtain the new solutions.
Key words: technosphere; acoustic engineering; hierarchical model; the ecology of technical systems.
Поболь Олег Николаевич, Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского, г. Москва, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, e-mail: firsovgi@mail.ru
Pobol Oleg Nikolayevich, Moscow State University of Technologies and Management named afer K.G. Razumovskiy, Moscow, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, e-mail: firsovgi@mail.ru
Фирсов Георгий Игоревич, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, Российская Федерация, старший научный сотрудник, e-mail: firsovgi@mail.ru
Firsov Georgiy Igorevich, Institute of Machine Science named after A.A. Blagonravov of RAS, Moscow, Russian Federation, Senior Scientific Worker, e-mail: firsovgi@mail.ru
