CC BY
38
Оригинальная статья / Original article УДК: 004.9/658.5
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-94-101
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫБОРА КОМПОНОВКИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
© А.В. Марков1, Г.С. Виноградова2, А.И. Денисенко3' А.А. Хлебников4
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ работы является автоматизация процесса выбора компоновки сложных технических систем. МЕТОДЫ исследования включают: методы системного анализа и концептуального проектирования, методы проектирования систем поддержки принятия решений. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана концептуальная модель предметной области. Определены требования к автоматизированной системе выбора компоновки сложных технических систем. Осуществлена программная реализация базовых функций системы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Авторами разработано программное обеспечение, реализующее функции поддержки принятия управленческого решения при проектировании сложных технических систем.
Ключевые слова: качество, безопасность, надежность, атомная энергетика, информационные технологии, техническая система, система поддержки принятия решений.
Формат цитирования: Марков А.В., Виноградова Г.С., Денисенко А.И., Хлебников А.А. Автоматизация процесса выбора компоновки сложных технических систем // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 11. С. 94-101. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-94-101
AUTOMATION OF COMPLEX ENGINEERING SYSTEM LAYOUT SELECTION A.V. Markov, G.S. Vinogradova, A.I. Denisenko, A.A. Khlebnikov
Baltic State Technical University "Voenmeh" D.F. Ustinov,
1, 1st Krasnoarmeyskaya St., Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation.
ABSTRACT. THE PURPOSE of this work is automation of the process of complex engineering system layout selection. The research methods include the methods of system analysis and conceptual design as well as the design methods of decision support systems. RESULTS. A conceptual model of the object domain is developed. The requirements for the automated system of complex engineering system layout selection are specified. Software implementation of the core functions of the system is performed. CONCLUSION. The authors have developed the software that implements the support functions for making managerial decisions when designing complex engineering systems. Keywords: quality, safety, reliability, nuclear power engineering, information technologies, technical system, decision support system
For citation: Markov A.V., Vinogradova G.S., Denisenko A.I., Khlebnikov A.A. Automation of complex engineering system layout selection. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 11, pp. 94-101. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-94-101
Введение
Стратегическими целями госкорпорации «Росатом» являются: повышение доли продукции на международных рынках; снижение себестоимости продукции и сро-
ков протекания процессов жизненного цикла продукции; разработка и поставка новых продуктов для российского и международных рынков Для реализации этих целей
1
Марков Андрей Валентинович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой инжиниринга и менеджмента качества (И2), e-mail: markov-av@mail.ru
Markov Andrei, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Engineering
and Quality Management (I2), e-mail: markov-av@mail.ru
Виноградова Галина Сергеевна, аспирант, e-mail: vinogradovag@mail.ru
Vinogradova Galina, Postgraduate student, e-mail: vinogradovag@mail.ru
3Денисенко Александр Игоревич, магистрант, e-mail: denisenko.bstu@gmail.com
Denisenko Aleksandr, Master's degree student, e-mail: denisenko.bstu@gmail.com
4Хлебников Александр Александрович, магистрант, e-mail: 6yp1k@mail.ru
Khlebnikov Aleksandr, Master's degree student, e-mail: 6yp1k@mail.ru
ставятся жесткие сроки по вводу блоков в эксплуатацию, уделяется большое внимание выбору материалов и внедрению инновационных конструкций. При этом качество, надежность и безопасность российских проектов блоков АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) должны быть на заданном уровне. Современные технологии позволяют проектировать и строить атомные станции нового поколения «3+» с реакторами ВВЭР-1200. Основные характеристики реактора: тепловая мощность - 3200 МВт, теплоноситель - вода с борной кислотой под давлением 16,2 МПа.
Одним из важнейших элементов реакторной установки АЭС является насосное оборудование первого контура - главный циркуляционный насосный агрегат (ГЦН) -1-го класса безопасности. К этому оборудованию предъявляются такие же высокие требования по безопасности и надежности, как и к реакторной установке
ГЦН - это сложная техническая система, которая, как и все аналогичные технические системы, имеет структуру (строение, устройство, взаиморасположение элементов и связей), задающую устойчивость и воспроизводимость функции технической системы. Каждая составная часть технической системы имеет в ней индивидуальное функциональное назначение (цели использования). Из определения технической системы, следует, что для выполнения заданных функций она должна обладать определенной структурой и взаимным расположением составных элементов, то есть соответствующей компоновкой.
Компоновка насосного оборудования - совокупность проектных работ по обоснованию формы насоса, взаимного расположения узлов и систем. Именно в процессе компоновки создается вся конструкция будущего насоса. При выборе компоновки определяется не только целесообразное расположение его устройств и узлов, но и устанавливаются оптимальные размеры и формы поверхностей деталей, выбор материалов, соответствующих технико-экономическим требованиям, заданным в технической спецификации (ТС). От объема насоса зависит его масса, занимаемая им площадь в помещении машинного зала, а также транспортные расходы. Следовательно, общей тенденцией в ходе проектирования является стремление к уменьшению габаритов конструкции при оптимальной компоновке (т.е. стремление к компактности конструкции).
Целью работы является автоматизация процесса выбора компоновочного решения насосного оборудования для АЭС на этапе технического проектирования. Для реализации этой цели авторами разработано специальное программное обеспечение.
Применение предлагаемого программного обеспечения на этапе технического проектирования позволяет выявить более удачную геометрическую компоновку изделия, а следовательно, значительно снизить затраты на следующих этапах проектирования, изготовления и сервисного обслуживания [1-3].
Методы исследования и их этапы
Актуальность работы. Важнейшим этапом процесса проектирования насосного оборудования является выбор оптимального компоновочного решения ГЦН, что представляет собой управленческую задачу. Случается, что управленческие решения принимаются либо в отсутствии достаточного объема статистической информации (оценка новых разработок), либо управленческое решение принимается
руководителем при необходимости обработки большого объема информации в сжатые сроки. В таких случаях для помощи в принятии оптимального решения и снижения рисков разрабатывается специальное программное обеспечение, относящееся к системам поддержки принятия решений. В данной статье рассматриваются алгоритм и принцип работы такого программного обеспечения, разработанного авторами.
Цели разработки автоматизированной системы выбора компоновки.
Выбор компоновки насосного оборудования осуществляется на этапе технического проектирования. При выборе компоновки реализуется как системный, так и инновационный подход, заключающийся в поиске новых конструктивных решений. Системный подход основан на базовом и агрегат-но-модульном методах проектирования (или унификации), когда конструкция продукции создается на основе базовой модели с новой комбинацией усовершенствованных функциональных модулей и отдельных унифицированных элементов. Инновационный подход заключается в поиске новых конструктивных решений, оценке их возможностей и рисков применения. Независимо от подхода к выбору компоновки ее окончательный вариант принимается в процессе совместной работы экспертов и руководителя экспертной группы. Решение этого вопроса зависит от предназначения продукции, ее индивидуальных характеристик, параметров, уровня унификации, условий эксплуатации, а также от степени развития и достижений техники в целом и многих других факторов, которые в обязательном порядке учитываются системой поддержки принятия решений.
Системы поддержки принятия решений (СППР) или системы интеллектуальной поддержки принятия решений (ИППР) - это компьютерные системы, использующие данные и модели, применяемые при принятии слабоформализованных решений. Данные извлекаются из системы диалоговой обработки запросов или базы данных. Пользователь работает в СППР посредством интерфейса, выбирает модель и набор данных, которые необходимо
использовать. В программах СППР осуществляется распределение функций между человеком и компьютером: главная роль при анализе событий, принятии решений в неопределенных ситуациях отводится человеку, компьютер выполняет функции поддержки.
Цели разработки автоматизированной системы выбора компоновки:
- создание пополняемой базы компоновок ГЦН;
- автоматизация процесса оценки и выбора компоновки из базы данных по заданным параметрам;
- автоматизация процесса сравнения новых и имеющихся компоновок.
Обзор реестра свидетельств на регистрацию программ для ЭВМ Федерального института промышленной собственности (ФИПС) показал, что аналогов такому специальному программному обеспечению нет. В связи с этим целесообразно разработать программное обеспечение, реализующее все необходимые функции.
Алгоритм работы пользователя с программным обеспечением. Авторами разработано программное обеспечение «Выбор компоновочных решений при проектировании технических систем», реализующее квалиметрическую методику оценки и выбора оптимального компоновочного решения насосного оборудования для объектов использования атомной энергии [2, 3].
Разработанное программное обеспечение можно отнести к системам поддержки принятия решений. Концептуальная модель структуры программного обеспечения приведена на рис. 15,6. Программа реализована в среде Visual Studio 2015, язык программирования - С++7 [4].
5
Романова И.В. Интеллектуальные подсистемы САПР: конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. 64 с. / Romanova I.V. Intelligent CAD subsystems. Omsk: Omsk State Technical University Publishers, 2008. 64 p.
6Семенов В.С., Золотов В.П. Системы автоматизации проектных работ: курс лекций. Самара: Изд-во СамГТУ, 2012. 134 с. / Semenov V.S., Zolotov V.P. Design work automated systems. Samara: Samara State Technical University Publishers, 2012. 134 p.
7Кондаков А.И. САПР технологических процессов: учебник для студентов вузов. М.: Академия, 2007. 272 с. / Kon-dakov A.I. CAD of technological processes. Moscow, Akademiya Publ., 2007. 272 p.
Рис. 1. Концептуальная модель структуры программного обеспечения Fig. 1. Software structure conceptual model
Алгоритм работы пользователя с программным обеспечением «Выбор компоновочных решений при проектировании технических систем» состоит из четырех блоков:
1. Проводится первоначальная выборка компоновок из базы данных по параметрам, заданным в технической спецификации (ТС). Если из базы данных подобрано несколько компоновочных решений предыдущих проектов, удовлетворяющих заданным эксплуатационно-технологическим параметрам, определенным в ТС, проводится расчет определяющего показателя качества [2, 3]. Применяется экспертный метод, по трехбалльной шкале выставляются оценки МI соответствия показателя качества требованиям ТС: 4 балла -компоновка превышает требования ТС по п-му показателю качества, 2 балла - компоновка соответствует требованиям ТС по п-му показателю качества, 0 баллов - компоновка не соответствует требованиям ТС по п-му показателю качества.
2. Если есть новые компоновочные решения и решения из базы данных предыдущих проектов, удовлетворяющие требованиям ТС, сравнение таких компоновок проводится также экспертным методом с расчетом определяющего показателя
качества. Оценки выставляются по шкале желательности Харрингтона.
Тогда МI оценки показателя качества по п-му показателю для к-й компоновки определяются согласно функциональной желательности Харрингтона:
• М,■ е [0; 0,2] - очень плохие данные по п-му показателю качества;
• М,■ е (0,2; 0,37] - плохие данные по п-му показателю качества;
• М,■ е (0,37; 0,63] - удовлетворительные данные по п-му показателю качества;
• М,■ е (0,63; 0,8] - хорошие данные по п-му показателю качества;
• М; е (0,8; 1,0] - отличные данные по п-му показателю качества.
3. Экспертная оценка проводится группой экспертов (более трех) по специально разработанным опросным листам. В опросных листах определен специальный набор показателей качества (уточнена номенклатура основных показателей качества насосного оборудования на этапе технического проектирования). Согласованность мнений экспертов проверяется по критерию Кендалла.
4. При отсутствии компоновочного решения, соответствующего эксплуатаци-
онно-технологическим параметрам, заданным ТС, следует обращение к разработчику ТС за корректировкой параметров к проектируемому изделию.
Разработанное авторами программное обеспечение позволяет: провести первоначальную выборку компоновок из базы данных по заданным параметрам; реализовать методику экспертной оценки; произвести расчет проверки согласованности мнений экспертов по критерию Кенделла.
Интерфейс программного обеспечения приведен на рис. 2. В данном интерфейсе программы производится выбор типа насоса, и задаются параметры насоса для подбора соответствующей компоновки из базы данных. Оператор заполняет вкладку «Параметры насоса».
В результате работы программы подбираются соответствующие компоновки
из базы данных (рис. 3). Если подходящих компоновок более одной, то проводится экспертный анализ всех компоновок с целью выбора оптимальной.
В программе производится расчет согласованности или несогласованности мнений экспертов при выбранном уровне значимости, есть возможность изменения состава экспертной комиссии (рис. 4).
Оценка компоновочных решений производится каждым экспертом по специально разработанному опросному листу (рис. 5).
При нажатии кнопки «К результатам экспертного анализа» программа производит расчет определяющего показателя качества, и дается рекомендация об утверждении компоновки с максимальным значением этого показателя (рис. 6).
Рис. 2. Интерфейс программы Fig. 2. Program interface
Параметры системы Выбор компоновки | Ввод оценок по компоновкам Результат экспертного анализа |
Параметры выбора насоса
Напор:
Подача:
55 ,м
,мл3/ч
Температура теплоносителя
270 :С
Частота вращения синхронная:
Давление на входе:
Коэффициент быстроходности :
Масса:
750 ^б/мин
14 M Па
3Ü3.Ü369
Теплоноситель вода борированна* т
Информация:
К выбору компоновки
Обозначение компоновки Коэффициент быстроходности П КПД не менее % Теплоноситель Температура Обозначение
1714 От 3DD до 329 76 вода борирован... 293 ДАВДЗ-71 DD/
1716 От 3DD до 329 76 вода борирован... 293 ДВДАЗ 173/1
1716 От 3DD до 329 76 вода борирован... 293 ДАВДЗ-7100/
1716 От 3DD до 329 76 вода борирован... 293 173/119-6-3-2
*
< 1 FFT 1 Г- 1
Рис. 3. Результаты подбора подходящих компоновок из базы данных Fig. 3. Results of selecting suitable layouts from the database
Добавление нового эксперта ФИО
Должность
Иванов В.А.
Потребность в высококвалифицированном персонале дли контроля и обслуживания
Ранг может принимать значение ог 1 до 7
Главный конструктор по направлению Доступность осмотра при эксплуатации Безопасность обслуживающего персонала
1
1
Возможность отсоединения мажвика от ротора 4
Взаимозаменяемость деталей 5
Защита от пробуксовывания маховика G Защита от нагрева
Добавить в базу
Выберите уровень значимости ЕЕ т
Коэффициент конкордации 0,875
Мнение экспертов не согласовано, проведите повторное анкетирова
Выберите экспертов из базы
Эксперт Должность А
Марков A.B. Главный тел
Виноградова Г.С. Руководител
Денисенко А.И. Руководител
Хлебников A.A. Руководител
Иванов В.А. Главный кон
< ГГГ II Г
Состав экспертной комиссии
Рис. 4. Расстановка ранговых оценок и оценка согласованности мнений экспертов Fig. 4. Ranking and assessment of expert opinion consistency
| Параметры системы | Выбор компоновки Ввод оценок по компоновкам Результат экспертного анализа | tal' 4 j ' Введите оценки экспертов для каждой компоновки
Эксперт
Марков A.B.
Варианты компоновок
Должность Главный технолог
Доступность осмотра при эксплуатации
Безопасность обслуживающего персонала
Потребность в высококвалифицированном персонале для контроля и обслуживания
Возможность отсоединения маховика от ротора
Взаимозаменяемость деталей
Защита от пробуксовывания маховика
Защита от нагрева
№1
N'2
N-3
N^4
Первый эксперт Второй эксперт »> Третий эксперт
2 - 2 ^ ш ~
0 - 4 ~ 2
0 ▼ 2 ▼ 4
2^2-4-^0-
2^2-4^4"
0-4-^2-2-
К результатам экспертного анализа
Обозначение компоновки Коэффициент быстроходности п КПД не менее % Теплоноситель Температура Обозначение
► 1714 От 300 до 329 76 вода борирован.. 298 ДАВДЗ-7100/
1716 От 300 до 329 76 вода борирован... 298 ДВДАЗ 173/1
1716 От 300 до 329 76 вода борирован... 298 ДАВ ДЗ-7100/
1716 От 300 до 329 76 вода борирован... 298 173/119-6-8-2
*
Рис. 5. Опросный лист экспертных оценок Fig. 5. Expert assessment questionnaire
Параметры системы | Выбор компоновки | Ввод оценок по компоновкам Результат экспертного анализа ¡а|' ' !
Результаты экспертного анализа. По результатам максимального значения определяющего
Суммарная оценка экспертов по компоновкам: показателя, к утверждению рекомендована
Компоновка
Компоновка N-1 61.28964
Компоновка 1^2 35.21254
Компоновка N-3 5.190776 Компоновка N^4
61.71088
С параметрами: Обозначение компоновки КоэФ. быстроходности КПД не менее Теплоноситель Температура Двигатель Выемная часть Устройство опорное Гидравлическая часть
1716
От 300 до 329
76
вода борированная
298
173/119-6-8-2 АМ05
1714-01-0001
1391-02-0003
1716-00-0100
Обозначение компоновки Коэффициент быстроходности п КПД не менее % Теплоноситель Температура Обозначение
► 1714 От 300 до 329 76 вода борирован.. 298 ДАВДЗ-7100/
1716 От 300 до 329 76 вода борирован... 298 ДВДАЗ 173/1
1716 От 300 до 329 76 вода борирован. . 298 ДАВДЗ-7100/
1716 От 300 до 329 76 вода борирован. 298 173/119-6-8-2
•
Рис. 6. Результат экспертного анализа Fig. 6. Expert analysis result
Заключение
Авторами разработано специальное программное обеспечение, реализующее функцию поддержки принятия управленческого решения при проектировании сложных технических систем на примере насосного оборудования. Применение разработанного программного обеспечения позволяет автоматизировать и оптимизировать
процесс выбора компоновочного решения на этапе технического проектирования насосного оборудования для АЭС, обеспечивает верификацию проекта, снижает риск утверждения неоптимальной компоновки, снижает затраты на проектирование и позволяет обеспечить требуемое качество, надежность и безопасность продукции.
Библиографический список
1. Аристов А.И., Волков П.Н., Дубицкий Л.Г., Есин Б.И., Левченко П.Г., Смирнов Н.Н. Ремонтопригодность машин. М.: Машиностроение,1975. 368 с.
2. Виноградова Г.С., Марков А.В. Оценка и выбор компоновочного решения при разработке оборудования для объектов использования атомной энергии с учетом компетентности привлекаемых экспертов // Качество и жизнь. 2016. № 2. С. 5-10.
3. Виноградова Г.С., Марков А.В. Алгоритм выбора прототипа конструкции на этапе технического проектирования насосного оборудования для объектов использования атомной энергии // Вестник ИрГТУ, 2016. № 9. С. 17-22.
4. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си. 3-е изд.; пер. с англ. СПб.: Невский Диалект, 2001. 352 с.
References
1. Aristov A.I., Volkov P.N., Dubitskii L.G., Esin B.I., Levchenko P.G., Smirnov N.N. Remontoprigodnost' mashin [Machine maintainability]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ.,1975, 368 p. (In Russian)
2. Vinogradova G.S., Markov A.V. Otsenka i vybor komponovochnogo resheniya pri razrabotke oborudo-vaniya dlya ob"ektov ispol'zovaniya atomnoi energii s uchetom kompetentnosti privlekaemykh ekspertov [Evaluation and selection of a layout arrangement when designing equipment for nuclear facilities taking into account the competence of the involved experts]. Kachestvo i zhizn' [Quality and Life]. 2016, no. 2, pp. 5-10. (In Russian)
Критерии авторства
Марков А.В., Виноградова Г.С., Денисенко А.И., Хлебников А.А. разработали концептуальную модель и требования к автоматизированной системе выбора компоновки сложных технических систем, провели обобщение, написали рукопись. Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов. Авторы в равной степени ответственны за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии интересов.
конфликта
3. Vinogradova G.S., Markov A.V. Algoritm vybora pro-totipa konstruktsii na etape tekhnicheskogo proektiro-vaniya nasosnogo oborudovaniya dlya ob"ektov ispol'zovaniya atomnoi energii [An algorithm of design prototype selection at the stage of engineering development of nuclear facility pumping equipment]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 9, pp. 17-22. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-17-22
4. Kernighan B., Ritchie D. Yazyk programmirovaniya Si. [The C Programming Language]. St. Petersburg, Nevskii Dialekt Publ., 2001, 352 p.
Authorship criteria
Markov A.V., Vinogradova G.S., Denisenko I.A., Khleb-nikov A.A. have developed a conceptual model and requirements for the automated system of complex engineering system layout selection, summarized the information and wrote the manuscript. The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results. The authors are equally responsible for the plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 31.10.2016 г.
The article was received 31 October 2016
