CC BY
96
УДК 65.012.122 Диго Г.Б., Диго Н.Б.
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБЛАСТЕЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРИ ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Аннотация. Обсуждается возможность оценивания остаточного ресурса сложных технических систем по областям работоспособности при неполной исходной информации.
Ключевые слова: остаточный ресурс, индивидуальное прогнозирование, область работоспособно-
сти .
При установлении сроков безопасной работы технических устройств и оборудования используются различные характеристики, одна из которых - остаточный ресурс. Оценивание остаточного ресурса функционирующего объекта относится к задачам индивидуального прогнозирования и включает оценку текущего состояния, его прогнозирование в будущем, оценку вероятностей наступления отказов, оценку риска аварийных ситуаций [1-2]. На основе полученного прогноза можно установить предельно допустимый срок эксплуатации оборудования или назначить срок очередного контроля состояния исследуемого объекта.
В качестве базовой концепции определения остаточного ресурса может использоваться подход, основанный на принципе безопасной эксплуатации по техническому состоянию, согласно которому оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию, а остаточный ресурс устанавливается по определяющим параметрам технического состояния. Под определяющими параметрами технического состояния понимаются параметры, изменение которых (в отдельности или в некоторой совокупности) может привести объект в неработоспособное или предельное состояние.
О техническом состоянии рассматриваемого объекта можно судить по значениям его измеренных в ходе мониторинга параметров, при этом контролируемыми могут как быть входные параметры (элементы), так и выходные параметры (параметры состояния, показатели качества).
В реальных условиях при оценке индивидуального ресурса приходится сталкиваться со следующими проблемами:
• текущий контроль состояния может быть осуществлен лишь по ограниченному количеству показателей, в то время как принятие решения по продлению ресурса требует текущей оценки по всему множеству имеющихся показателей;
• необходимо рассматривать не только локальные частные показатели ресурса, но и формировать обобщенные показатели, отражающие состояние объекта в целом, на основе которых можно было бы принимать достоверные решения по планированию ремонтных работ.
Для определения остаточного ресурса принято использовать два направления, одно из которых основано на физических предпосылках, а второе - на вероятностных методах. При этом приходится учитывать, что применение чисто физических методов не позволяет учесть многообразие реальных условий эксплуатации. В то же время применение вероятностных методов оценки остаточного ресурса подразумевает выполнение условия статистической устойчивости. Однако для уникальных объектов, существующих в единичном исполнении, при решении задачи индивидуального прогнозирования и предсказании поведения отдельно взятой единицы за определенный период времени условие статистической устойчивости не выполняется, а полученные выводы относительно индивидуальных объектов обоснованно могут вызывать сомнение. В силу сказанного более перспективным представляется подход, использующий физические представления о ресурсных свойствах и вероятностные методы.
Анализ имеющихся в настоящее время методов оценивания остаточного ресурса, т.е. методов прогнозирования момента перехода технического объекта в предельное состояние, позволяет классифицировать их по виду оцениваемого показателя, категории ресурсного отказа, способу получения исходных данных.
В докладе обсуждается возможность использования областей работоспособности при индивидуальном прогнозировании технического состояния (остаточного ресурса) и планировании эксплуатации технических систем в условиях дефицита и неполной достоверности исходной информации для получения достаточно надежных результатов.
При оценке остаточного ресурса функционирующей системы решается задача индивидуального прогнозирования, включающая оценку текущего состояния, прогнозирование его в будущем, оценку вероятности наступления отказа и риска аварийных ситуаций. По полученному прогнозу удается определить предельно-допустимый срок эксплуатации оборудования или срок следующей проверки состояния исследуемой системы.
Для прогнозирования величины остаточного ресурса необходимо выполнение следующих условий:
должны быть известны параметры, определяющие техническое состояние оборудования;
должны быть заданы критерии предельного состояния оборудования;
должна существовать возможность периодического (или непрерывного) контроля значений параметров технического состояния оборудования.
В [3] подробно изложен метод оценки и прогнозирования остаточного ресурса, если имеется возможность для периодического измерения параметров, влияющих на его величину (определяющих параметров), достижение которыми своих предельных значений приводит к отказу (предельному состоянию). Но поскольку в реальных условиях измерить определяющие параметры функционирующего объекта не всегда возможно, в [4] предлагается метод оценки реального технического состояния и оценки (прогнозирования) остаточного ресурса устройства, когда нет отказов, и могут быть измерены в процессе эксплуатации (испытания) значения некоторых диагностических параметров, косвенно характеризующих расходование ресурса. Он сводится к следующему.
1. По результатам предварительных испытаний (эксплуатации) устанавливается связь между предельными значениями определяющих и диагностических параметров.
2. По результатам предварительных исследований или имеющимся статистическим данным, касающимся этих параметров, вычисляются коэффициенты вариации определяющих и диагностических параметров.
3. После определения предельных значений диагностических параметров остаточный ресурс определяется по измерению только диагностических параметров.
4. Используя проведенные предварительные исследования, в качестве теоретической модели распределения выбирается вероятностно-физическая модель для определения закона распределения остаточного ресурса.
Таким образом, когда в процессе функционирования удается измерять диагностические параметры, косвенно характеризующие изменение ресурса, необходимо проводить предварительные исследования для нахождения предельных значений диагностируемых параметров, соответствующих предельным значениям определяющих параметров. После этого появляется возможность прогнозировать остаточный ресурс по измерениям диагностических параметров. Математический аппарат, необходимый для прогнозирования остаточного ресурса в такой ситуации, представлен в [4].
Для отслеживания значений остаточного ресурса функционирующего объекта должны учитываться его техническое состояние и степень приближения к предельному состоянию на основании непрерывного или дискретного (в отдельные моменты времени) контроля изменяющихся во время функционирования определяющих параметров, например, через их количественные оценки. По ним в пространстве выбранных параметров можно выделить область состояний, изменяющуюся во времени, в зависимости от свойств функционирующего объекта, и область работоспособности, заданную техническими требованиями к контролируемым переменным. При этом область состояний будет находиться внутри области работоспособности, если объект не достиг предельного состояния, остаточный ресурс будет оцениваться разностью этих областей (будет прямо пропорционален их разности). В случае совпадения указанных областей наступит предельное состояние, т.е. ресурс окажется исчерпанным.
В задачах параметрического синтеза и управления состоянием технических систем, которые традиционно сводятся к нахождению значений параметров элементов x = (х^хп) , x е Rn , обеспечивающих
их работоспособное состояние, остаточный ресурс можно характеризовать удаленностью области состояний от границ области работоспособности. Пусть информация о возможных вариациях значений внутренних параметров задана в виде пределов их возможных значений, определяющих область возможных изменений внутренних параметров, т.е.
ximm^xi^xnшх> *0°, г = 1,2,...,И, (1)
и заданы условия работоспособности
aj < yj (x) < bj, j = 1,..., m , (2)
y = {yj }J=i - вектор выходных параметров,
yj = Fj(xl,...,xn) , (3)
Fj (•) - известный оператор, зависящий от топологии исследуемой системы. Зависимости (3)
обычно задаются неявно, в алгоритмической форме, в виде численного решения систем уравнений [5].
Задача параметрического синтеза технических устройств и систем [5] состоит в выборе номинальных значений их параметров хтм = (^ном,...,хпном) , обеспечивающих максимум вероятности безотказной работы в течение заданного времени:
хном = arg max Р{Х (ъиом, t) е Vt е[0Л]} . (4)
В (4) X(xHOM,t) - случайный процесс изменения параметров; T - заданное время эксплуатации си-
стемы; Dx - область работоспособности произвольной конфигурации и ориентации из л-мерного пространства внутренних параметров, в каждой точке которой выполняются условия (2),
a.,bj, j = 1,...,m , - ограничения на его компоненты,
Dx ={xe Rn ■ Утп < y(x) < Утах}
(5)
* тп _ J W _ J max >
В Dx из (4)-(5) совокупность значений внутренних параметров представляется изображающей точкой л-мерного пространства этих параметров, и для обеспечения работоспособности системы эта точка должна находиться внутри области D , а расстояние от нее до границ D рассматривается как некоторый запас работоспособности системы [5-8]. Это детерминированный критерий, имеющий более ясную физическую интерпретацию по сравнению со стохастическими критериями. При этом анализ остаточного ресурса по каждому из внутренних параметров позволит выделять множество критических параметров, т.е. таких параметров, для которых существует наибольшая априорная опасность выработки ресурса (имеющих наименьший запас работоспособности и наибольшие характеристики изменчивости).
Если рассматривать приближение функционирующего объекта к предельному состоянию как момент наступления рискового события, то для оценки остаточного ресурса можно использовать алгоритм гарантированного прогноза [9], позволяющий определять некоторую область, в пределах которой будут гарантированно находиться параметры состояния в заданный момент времени. Этот метод обладает свойствами несмещенности, однозначности и оптимальности, а по полученным результатам можно не только выявить момент наступления предельного состояния, но и выбирать подходящие моменты контроля состояния объекта, проведения профилактических и ремонтных работ.
При дефиците и неполной достоверности исходной информации для оценивания остаточного ресурса функционирующего объекта приходится учитывать не только его индивидуальные особенности, но и условия эксплуатации. Предлагаемые решения возникающих проблем базируются на функциональнопараметрическом направлении теории надежности [10] и предполагают использование текущей информации о действительном техническом состоянии конкретного объекта, т.е. реализация индивидуального подхода подразумевает непрерывный или дискретный контроль и анализ его состояния.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта ДВО РАН 12-1-ОЭММПУ-01 в рамках Программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН № 14 «Анализ и оптимизация функционирования систем многоуровневого, интеллектуального и децентрализованного управления в условиях неопределенности».
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукьяненко В.И., Воробьёва Н.В., Воробьёв Ю.В. Оценка остаточного ресурса технического оборудования в единичном исполнении // Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. № 4. С 1038-1041.
2. Белов В. П., Голяков А. Д. Оценка остаточного ресурса радиотехнических систем сбора, обработки и передачи информации // Сборник докладов на VI межведомственной НТК «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах», МО, 2003.
3. Гаскаров Д.В., Голинкевич Т.А., Мозгалевский А.В. Прогнозирование технического состояния и ндежности радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Сов. радио, 1974, 224 с.
4. Стрельников В.П. Оценка остаточного ресурса на основе измерения диагностических параметров // Сетевой электронный научный журнал «СИСТЕМОТЕХНИКА», 2003. № 1.
http://systech.miem.edu.ru
5. Абрамов О.В. Параметрический синтез стохастических систем с учетом требований надежности. - М.: Наука, 1992.
6. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. М.: Энергоатомиз-
дат, 1987.
7. Норенков И.П., Мулярчик С.Г., Иванов С.Р. Экстремальные задачи при схемотехническом проектировании в электронике. Минск, Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1976.
8. Абрамов О.В., Катуева Я.В., Назаров Д.А. оптимальный параметрический синтез по критерию запаса работоспособности // Проблемы управления. 2007. №6. С. 64-69.
9. Абрамов О.В. Анализ и прогнозирование техногенных рисков // Информатика и системы управления, № 3, 2012. С. 97-105.
10. Абрамов О.В. Функционально-параметрический подход в задачах обеспечения надежности технических систем // Надежность и контроль качества. - 1999. - № 5. - С. 34-45.
11. Юрков, Н.К. Концепция синтеза сложных наукоемких изделий/Н.К. Юрков// Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз.
гос. ун-та, 2012. Том 1, С. 3-6
12. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367
