CC BY
32
Инновационная информационно-метрологическая технология наблюдения и прогноза состояния для предотвращения аварий техногенных объектов
(
1*
А. Б. Бельский,
д. т. н., член РГ «Технологическая безопасность» ЭС председателя Коллегии ВПК, действительный член Российской инженерной академии, академик АН прикладной радиоэлектроники [email protected]
А. А. Сперанский, руководитель РГ «Технологическая
безопасность» ЭС председателя Коллегии ВПК, профессор, директор Института наукоемких инженерных технологий, вице-президент Российской инженерной академии [email protected]
Представлен системный подход к разработке опережающих технологических решений, образующих в комплексе новый информационно-метрологический уклад в области инструментальных средств наблюдения, прогноза и предотвращения аварий и техногенных катастроф.
Ключевые слова: природный синтез напряженно-деформированных состояний, волновой мониторинг состояний, векторно-фазовая реконструкция измерений, анализ и прогноз гомеостаза, модельное проектирование.
Актуальность наблюдения состояний
Помимо выдающихся достижений научно-инженерного сообщества в сфере науки, техники и технологий, последнее столетие вошло в историю как век техногенных аварий и экотехнологических катастроф. Проблема кроется в том, что в условиях ограниченных природных, и в первую очередь энергетических, ресурсов бизнес в конкурентной борьбе вынужден осваивать и коммерциализировать наукоемкие инновационные решения. Это приводит к новым, более сложным, энергетическим, материаловедческим, конструкторским, технологическим решениям, экс-¡¡2 плуатационным регламентам и, следовательно, к нарушению биофизического природного гомеоста-за. Как следствие, общество все чаще испытывает о чрезвычайные ситуации (ЧС) экологического, тех-^ ногенного и социально-экономического характера. ^ Участившиеся техногенные катастрофы (ТК) на 2 фоне значительного прогресса в различных областях знаний являются следствием повышения энтропии ^ как показателя неопределенности, беспорядка, разов нообразия, хаоса и безответственности в области О экотехнологической безопасности. Одной из главных X причин происходящего является недостаточная ин-^ формативность технических средств мониторинга и
методов объективной оценки ресурсно-прочностных показателей техносферных компонент природно-технических систем (ПТС).
По статистике, в ХХ веке 56% ТК, 50% погибших и 40% раненых приходятся на последние 20 лет. При этом, «человеческий фактор» порождает 45% экстремальных ситуаций на АЭС, 60% авиакатастроф и 80% морских ЧС. По данным МЧС, в период с 1993 по 1999 гг. в РФ ежегодно происходило около 1350 ЧС с прямым материальным ущербом в размере 1227 млрд руб., четверть которых приходилась на ТК. Преобладает мнение, что главной причиной ТК является высокий износ энергетической и транспортной инфраструктуры РФ.
В XXI веке мировой процесс ТК прогрессирует. Общий ущерб от ЧС в 2001 г. составил $144,4 млн, мировые экономические потери от природных и ТК в 2009 г. составили $63 млрд, а в 2010 г. — $222 млрд при количестве погибших более 260 тыс. человек. Доля ТК составляет примерно 35% от числа природных катастроф (ПК) или 25% от общего числа ЧС.
По аналитическим прогнозам МЧС РФ, рост негативного влияния ТК на природу и население приведет к затратам от 1,5 до 4,5% ВВП, что превышает расходы на здравоохранение и охрану окружающей среды. Аварии на трубопроводах, загрязняя значительные
территории, несут потери от 7 до 20% транспортируемой нефти в объеме от 10 до 68 млн т.
ТК занимают одно из ведущих мест по количеству человеческих жертв и представляют наибольшую экологическую опасность. Из анализа международной организации Center for Research on the Epidemiology of Dusasters (CRED), основную часть ТК составляют «индустриальные» и «транспортные».
По данным консалтинговой фирмы Risk Management Solution, в начале XXI века количество крупных ТК стабильно превышает количество ПК, при этом, в 2003-2006 гг. количество ТК в разы превысило ПК.
Из приведенного анализа следует, что невозможно добиться экономического роста и устойчивого развития без эффективных мер по сокращению ЧС, обусловленных деятельностью человека.
Противостоять такому развитию событий могут и должны достоверные знания о природных процессах, реализованные в инновационных технологических проектах. По общему мнению ученых, выходом может быть только системный научный подход на основе объективной исходной классификации явлений, достоверного понимания физической сути природного синтеза опасных состояний через адекватные им наблюдения и научный анализ гомеостаза.
С научной точки зрения, для своевременного предотвращения ЧС необходимо непрерывно в реальном времени наблюдать опасные технологические процессы. При этом, мониторинг и анализ процессов и явлений должны быть адекватны процессам природного синтеза, собственно, являющегося объектом наблюдения. Только достоверное знание текущих и прогноз приближающихся состояний позволяют предвидеть и предотвращать аварии и потенциально опасные ЧС. Понимание проблемы оказалось достаточно сложным в ее практическом решении.
Универсальным способом познания синтезируемых природой явлений, процессов и состояний является наблюдение. По выражению известного японского физика Мичио Каку, «на протяжении всей истории человечества нашу судьбу определяло владение инструментами наблюдений». Главное требование к инструментальным средствам и методам эффективных наблюдений состоит в адекватности собственно измерений анализируемым параметрам.
Научные исследования ученых и научно-технический прогресс продвинули новые наукоемкие компьютерные технологии достоверного измерения параметров волновых полей электромагнитного, ультразвукового, радио-, оптического (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра), рентгеновского и ядерного диапазонов частот. При этом главное поле среды обитания человека — частотный диапазон полей механических колебаний от 0 до 20 кГц, в котором реализуется фундаментальное свойство материальных объектов окружающего мира — эксплуатационный запас конструкционной прочности (ресурс), оказалось наименее метрологически освоено.
Более трех столетий ученые, а затем и инженеры-механики, оценивали состояние объектов механических систем путем усредненных моноскопических
(Ш-скалярных) измерений и последующего сравнения с экспертными усредненными статистическими предельными данными. Но любой технологический уклад, особенно метрологический, имеет конкретный реально достижимый предел физической применимости. Это понятие следует рассматривать как буквально, так и в переносном общественном смысле, ибо информационные возможности действующих метрологических укладов передаются технологическим, экологическим и социальным, в том числе, экономическим процессам в обществе. Можно с уверенностью утверждать, что у скалярных измерений также есть «физический предел», породивший углубляющийся информационный кризис в сфере техногенной безопасности. Метрологическая парадигма прошлых технологических укладов вызывает обоснованное сомнение в перспективности усредненных Ш-измерений и статистических оценок состояний. Неадекватность природному синтезу и низкая информативность скалярных вибрационных измерений привела к необходимости освоения компьютерных методов повышения мерности пространственного текущего (real-time) мониторинга состояний объектов механических систем.
Научно-технологический уровень достоверности наблюдений и измерений
Ускорение научно-технического прогресса в наблюдении и анализе состояний, отсчет которого можно вести от фундаментального обобщения И. Ньютоном и его выдающимися коллегами знаний в области механики и появления метрологических средств измерения параметров движения, стало особенно заметно в конце ХХ века. Последнее обусловлено появлением новой отрасли как знаний, так и производства — информационных технологий (!Т), позволяющих, с одной стороны, обеспечить быструю прикладную (техническую и технологическую) адаптацию результатов фундаментальных исследований, с другой — повысить качество и оперативность контроля и управления процессами и производством.
Одним из первых ученых-механиков, обративших внимание метрологической общественности на недостоверность скалярных измерений был выдающийся русский ученый-гидроакустик, академик А. Н. Крылов, обосновавший идею повышения мерности и временной связанности измерений механических колебаний. Он утверждал, что поскольку энергетические колебательные процессы природного синтеза состояния в механических системах имеют пространственно-временной характер, то для их объективного наблюдения и последующего адекватного анализа необходимо стремиться к объективной мерности измерений, соответствующей мерности собственно наблюдаемых физических процессов или явлений. Этому научно обоснованному подходу соответствует пространственно-временная ¿Г-мерность земной цивилизации.
Лидеры мировой метрологической индустрии подхватили идею русского ученого и более 40 лет серийно производят трехкомпонентные вибропреобразователи, монополизировав международный рынок прецизионных инструментов механических измерений. В первую
ю о
CN
со о N
СП
J <
со О
ю о
CN
со о
СП
J <
со
очередь это компании APC, Endevco, Beаntly Nevada, Dygital в США и Bruel & Kjaer, Kistler, LMS, Alstom в Евросоюзе. Все они и их технологические последователи демонстрируют неоспоримое стремление к повышению мерности измерений путем ортогонального размещения в общем корпусе трех скалярных Ш-датчиков. Возникающие при таком подходе принципиальные метрологические недостатки устраняются также по «рецепту» А. Н. Крылова путем применения ортонор-мализаторов. Безусловно, увеличение мерности существенно повышает достоверность измерений, но вместе с тем, современные инструменты вибромониторинга не обеспечивают ожидаемого уровня эффективности вибродиагностики. Подтверждением этого являются достоверные свидетельства дальнейшего стремления к повышению мерности измерений.
Например, компания Snecma, являющаяся мировым лидером в области авиационного моторостроения (Airbus), запатентовала конструкцию многомерного 5D-сенсора с тензорно-матричной обработкой измерений через систему уравнений 68-й степени (патент EP 2 034 275 A1). Идея в смысле практических приложений метрологически несовершенна и даже абсурдна, но подтверждает стремление авторитетной компании к новому уровню адекватности измерений наблюдаемым процессам и состояниям. Впервые примененный в патенте термин «букет» свидетельствует о том, что разработчик предполагает «structural/структурный» анализ спектра пространственных колебаний.
Компания Hewlett-Packard (HP), являющаяся мировым лидером в области информационных технологий (IT), разработала по заказу военного ведомства США и запатентовала сверхминиатюрные микроэлектро-механические системы (MEMS) на основе электронных измерительных микрочипов. MEMS образуют технологическую линейку 1D-сенсоров для преобразования различных диагностических параметров (давление, деформации, температура и т. д.) в измеряемый сигнал.
Одним из массовых приложений MEMS-техно-логии является объявленный НР транснациональный проект «Центральная нервная система Земли» (Central Nervous System for the Earth — CeNSE). Целью проекта является создание глобальной системы всеобъемлющего мониторинга состояния всех потенциально опасных инженерных сооружений с использованием MEMS-акселерометров и самых современных вычислительных технологий обработки измерений НР.
При этом, впервые в метрологической практике, предлагается измерять полные механические колебания — 3 линейные и 3 вращательные компоненты шестью одномерными MEMS-датчиками. Несовершенство подхода состоит в том, что измеряемые 6 компонентов не связаны пространством и временем. Вместе с тем, этот пример также подтверждает практическое стремление лидирующей IT-компании к новому уровню адекватности измерений наблюдаемым процессам.
Шестимерные измерения параметров колебательных механических процессов зарегистрированы в качестве интеллектуальной собственности в промышленно развитых странах: международные патенты компании
Spider Technologies № WO 2006/011145 A2 (Израиль, США), компании Generale de geophysique № 2 446 494 (Франция), компании Siemens aktiengesellschaft № EP 1 053 917 A1 (Германия), а также национальный патент № 2382990 RU (Россия).
Стремление к повышению информативности наблюдений подтверждает разработка новых типов и методов измерения колебаний: контактные (вакуумные, пленочные, оптоволоконные и т. д.) и дистанционные (оптические, лазерные, радиолокационные и т. д.).
Другим принципиально важным научным аспектом в рассматриваемом сегменте знаний является теория системного анализа выдающегося русского академика А. М. Ляпунова, который с учетом работ У. Р. Эшби обосновал научный подход к объективной исходной классификации явлений, достоверному пониманию физической сути природного синтеза и адекватного ему анализа гомеостаза наблюдаемых объектов. По его прозорливому предвидению, ¿Г-экспертиза гомеоста-тических состояний является универсальным методом адекватного наблюдения и рационального управления объектами жизнедеятельности в биосфере и техносфере, а системным диагностическим отображением текущего состояния сложных кибернетических систем является многопараметрический гомеостатический портрет (Homeostasis). Гомеостаз решает проблему оптимизации принятия решений, прогнозирования чрезвычайных состояний, предупреждения и предотвращения катастроф.
Простой несистемный анализ измерений, характерный для всех приведенных выше примеров стремления к повышению их мерности, как правило, опирается на статистические знания предшествующих (устаревающих) технико-технологических укладов и не предполагает перехода к принципиально новому уровню знаний на основе их простого количественного превосходства. В противоположность формальному увеличению мерности измерений, системный го-меостатический анализ измерений высокой мерности позволяет существенно приблизиться к адекватности антропогенных наблюдений через виртуальную многопараметрическую реконструкцию процессов, режимов и состояний природного синтеза объектов наблюдения.
Робкой, но в некоторой степени эффективной попыткой приблизиться к «относительно системному» анализу состояний является развиваемая в последние три десятилетия в США и Евросоюзе технологическая платформа Structural Health Monitoring (SHM), реализуемая в содружестве ведущих мировых университетских центров и фирм: The University of Michigan Laboratory for Intelligent Structural al Technology; Los Alamos National Laboratory, Engineering Institute; Department of Civil and Environmental Engineering, Vanderbilt University Nashville (USA); Lulea University (Sweden); Campbell Scientific, Digitexx (USA), Structural Vibration Solutions A/S (DM), Oxford University, Advanced Vector Analytics (EU), HGL-dynamics (GB) и другими лидерами IT-кластера. По мнению разработчиков, «технология ориентирована на своевременную идентификацию деформаций аэрокосмических, гражданских и промышленных инженерных
сооружений. В данном случае, деформация понимается как изменение свойств материала и/или геометрии конструкции, включая изменение граничных условий (например, грунтовых) и взаимодействий в системе, которые оказывают неблагоприятные воздействия на текущее или будущее ее состояние. Дефект может быть выявлен путем сравнения текущего состояния системы с начальным или заведомо исправным». Эффективное распространение технологии в область безопасности силовых агрегатов и машин (классическая механика) наблюдается в аэрокосмической отрасли.
Одним из эффективных приложений SHM стали современные системы контроля и оценки технического состояния конструкций, узлов и агрегатов авиационной техники. Авиационные приложения SHM под названием HUMS (Health & Usage Monitoring Systems) создавались в Великобритании более 30 лет в качестве «...систем контроля за уровнем вибраций для наглядной индикации приближения будущего отказа и предоставления информации о состоянии основных узлов и агрегатов с возможностью раннего обнаружения».
Основная цель внедрения HUMS — «сокращение расходов на эксплуатацию за счет улучшения качества диагностирования, повышение точности прогнозирования остатка срока службы узла или агрегата, формирования поставок по реальной необходимости» с постепенным переходом «. с промышленного этапа на этап информационный.
Важнейшей составляющей частью современной HUMS является специальное программное обеспечение (ПО), которое анализирует информацию, поступающую от различных датчиков (акселерометров), установленных на двигателях и трансмиссии, и накапливающуюся бортовыми регистраторами. У большинства летательных аппаратов применяется порядка двадцати различных информационных датчиков, которые контролируют большой объем первичных («сырых») данных в реальном масштабе времени.
Интерес международного научного сообщества и лидеров мирового рынка IT (например, HP, Siemens, Alstom, ABB, ВР, Goodrich Corp., Mitsubishi, Honeywell, National Instruments и др.), успешно работающих в области экотехнологической безопасности в сфере строительства, машиностроения, энергетики, транспорта, проявляемый к области деятельности SHM заметно увеличивается с каждым годом.
Одновременно и независимо от повышения информационно-метрологических возможностей систем наблюдения, возрастают размеры, сложность и мощность технических систем.
В этом случае, снижение рисков воздействия на среду обитания факторов техногенного и природного характера и минимизация ущерба от аварий и кризисных ситуаций должны стать стратегической целью технико-экономического развития страны. В связи с этим уместно процитировать один из многочисленных отзывов о важности рассматриваемой проблемы, направленный в Совет безопасности РФ: «.проблема организации научного мониторинга, стратегического управления рисками, прогноза и предупреждения
кризисных явлении может стать национальной сверхзадачей. По масштабу и важности она сравнима с разработкой стратегических вооружений и космическими программами, от которых в свое время зависело будущее великих держав. В координации научных исследований, в их системном синтезе и экспертном анализе ключевую роль должны играть компьютерное моделирование, прогноз, анализ метрологических потоков на базе новейших 1Т...».
Наше общество в своем технологическом развитии вплотную приблизилось к новой интеллектуальной парадигме инженерной практики будущего.
Цели, задачи и перспективы волновых исследований
В области механических взаимодействий научно-инженерным коллективом Российской инженерной академией (РИА) предложены, научно обоснованы и практически реализуются новые эффективные методические подходы и способы создания универсальной информационной технологии (1Т) безопасности на базе векторной виброакустической метрологии. На основе теории и результатов практики выявлены фундаментальные возможности метода многомерной реконструкции волновых деформационных полей для создания и совершенствования сложных объектов, исследовательских и прикладных систем анализа их текущих состояний и предупреждения техногенных катастроф. Они включают следующие научно-инженерные подходы:
• информационные подходы в задачах обеспечения техногенной безопасности — реализуется в интеллектуальном мониторинге и научном сопровождении на всех стадиях жизненного цикла путем повышения достоверности метрологических технологий, эффективного методического и программно-аппаратного метрологического инструментария, гомеостатических методов не-разрушающего контроля текущих эксплуатационных состояний;
• системный подход при наблюдении состояний взаимодействия элементов структур, единстве и связанности массово-энергетических свойств волновых полей;
• фундаментальной научной основой векторной виброакустической метрологии является механика сплошных сред, основными постулатами которой являются концепция сплошности и принцип супер позиции;
• математическим аппаратом анализа состояний являются тензорное преобразование причинно-следственных состояний, теория комплексных переменных и вариационный метод. Указанные подходы, в отличие от используемой
до настоящего времени в инженерной практике скалярной метрологической парадигмы, основанной на измерениях спектра усредненных амплитуд вибрации одноканальными (моноскопическими) датчиками, позволяют реализовать полевую парадигму на основе ¿Г-реконструкции векторно-фазовых (волновых) параметров деформационных полей. К фактически сло-
ю о
CN
со о N
СП
J <
со О
ю о
CN
со о сч
СП
J <
со
б)
в)
жившемуся состоянию дел в этой области, проведенному комплексу исследований в РИА способствовали и объективные причины. К ним следует отнести: а) технологическое отставание в области создания метрологических 3D-средств достоверного мониторинга волновых параметров механических систем,
отсутствие программно-аппаратных средств синхронного сбора, обработки и отображения параметров текущих состояний многомерных деформационных полей,
отсутствие методологии real-time реконструкции динамических контурных характеристик текущего эксплуатационного ресурса конструкционной прочности, многопараметрического системного анализа и прогноза фазовых гомеостатических состояний.
Несмотря на очевидную необходимость в повышении мерности измерений, центральной проблемой экотехнологической безопасности крупных промышленных и транспортных объектов является отсутствие эффективных инструментальных средств наблюдения и прогнозной экспертизы их текущих эксплуатационных состояний. Поэтому, проводимые в последние годы в РИА многочисленные прикладные волновые исследования, объективно приближают создание универсальной IT достоверного наблюдения и адекватной экспертизы текущих эксплуатационных состояний функционально ориентированных механических объектов (ФОМО). Для достижения поставленной цели авторским коллективом ученых и специалистов РИА уже выполнены следующие системно связанные научно-исследовательские работы: 1) разработаны способы и конструкции датчиков (приемников колебаний) достоверного измерения 3D-связанных компонентов диагностических параметров на основе известных контактных и перспективы дистанционных физических преобразований деформационно-энергетических параметров волновых полей;
реализованы системные способы сбора, преобразования, передачи и ввода связанных измерений динамических параметров текущих состояний в высокопроизводительном измеритель-анализаторе; разработаны эффективные способы
2)
траекторной ЭЭ-реконструкции и хранения измерений диагностических параметров текущих динамических состояний (результаты представлены на рис. 1 и 2);
3) разработаны способы многопараметрической 4Э-реконструкции и хранения векторно-фазовых массивов текущих диагностических параметров физических напряженно-деформированных состояний (НДС). Пространственный закон Гука-Пуассона представлен на рис. Э;
4) разработаны способы представления (визуализации) многопараметрического гомеостатического Я-портрета текущего состояния ФОМО;
5) разработаны методы создания моделей расчетных, трендовых текущих и предельно-критических состояний ФОМО;
6) сформированы требования к разработке адекватных способов мобильной энергетической оценки текущих гомеостатических (ресурсных) состояний ФОМО;
7) сформированы требования к разработке прогнозных способов достоверной оценки эксплуатационных рисков.
Таким образом, фактически найден и обоснован комплекс опережающих технологических решений, открывающий практические возможности анализа фоточувствительных траекторных ЭЭ-измерений и спектральной 4Э-реконструкции текущих динамических состояний ФОМО. Результаты экспериментальных исследований в областях классической и строительной механик, гидроакустики и аэроупругих процессов подтвердили чрезвычайно высокую информативность ¿Г-наблюдения полидинамических состояний ФОМО.
Впервые в метрологической практике научно обоснованы, разработаны и находят внедрение в прикладных исследованиях новые реальные и действительные инструментальные средства, объединенные в инновационную информационно-метрологическую технологию «Волновой мониторинг состояний» (ВМС). А ВМС, дополненная современными методами векторно-фазового траекторного анализа состояний, системно интегрируется в новый технологический кластер «Волновая информационная технология» (ВИТ или Волновая 1Т) на основе ВМС.
Рис. 1. «Букет» гармонических колебаний в измерительной точке авиадвигателя
Рис. 2. Образ Ш-скалярного и 40-векторного измерений на заданной частоте
Рис. 3. Обобщенная волновая модель закона Гука-Пуассона
Высокая информативность наблюдения процессов и состояний механических систем с привлечением ВИТ на основе ВМС позволяет обоснованно использовать новые информационно-метрологические ресурсы в задачах экотехнологической безопасности. Для стратегического видения целей и задач инновационного 1Т-кластера «ВИТ на основе ВМС» важно понимать научные корни и новизну предлагаемых системных подходов.
В качестве дальнейшего научно-технологического развития Волновой 1Т, методически обоснована и сформулирована для исследовательских приложений «Модельная гомеостатическая стратегия» новых инструментальных возможностей и перспективных приложений опережающих технологических решений, включающая:
8) модельное гомеостатическое проектирование на всех этапах жизненного цикла;
9) системный прогноз гомеостаза антропогенных систем;
10) экспертные системы техногенеза реального времени;
11) встроенные микромоделирующие системы наблюдения текущих ресурсных состояний;
12) непрерывное интеллектуальное подтверждение соответствия текущих значений ТТХ объекта заданным требованиям ( по техническому заданию);
13) модельная оценка рисков принятия решений;
14) инструментальные средства приемки заказчика;
15) адаптивные кибернетические системы управления.
Разработка концепций и методологии построения моделей становится действенным направлением инженерной науки ближайшего будущего. Складывается реальная перспектива создания адекватных природному синтезу экспертных систем реального времени для эффективного прогноза гомеостаза (техногенеза) на основе высокопроизводительного интеллектуального моделирующего инструментария полного жизненного цикла в составе ФОМО.
Практическая значимость ВИТ на основе ВМС состоит в том, что появилась и реализуется возможность наблюдать и управлять происходящими в современных антропогенных системах био- и техносферы трансформационными энергетическими процессами
посредством аналитических приемов, математического и физического моделирования — через создание встроенных микромоделей непрерывного наблюдения состояний на основе теоретических знаний и достигнутых уровней технико-технологических укладов.
Новая парадигма инженерной практики
Представленный информационно-технологический подход к проблемам техногенной безопасности в многочисленных исследовательских приложениях подтверждает необходимость и эффективность повышения мерности наблюдения волновых процессов природного синтеза эксплуатационных состояний с применением инновационных методов интеллектуального модельного анализа и прогнозной экспертизы трендов текущего гомеостаза ФОМО.
Реализация действенных мер для предотвращения экотехнологических катастроф возможна только на основе фундаментальных научных знаний, глубокого понимания физики причинно-следственных процессов природно-технических систем (ПТС) и достоверной информации об этих процессах. Оперативная оценка текущего ресурса конструкционной прочности в прикладных задачах позволяет обосновать и разработать новую парадигму инженерной практики, как способ реконструкции текущего техногенеза ФОМО, открывающий возможность достоверного анализа и прогноза гомеостаза для эффективной оценки рисков и синтеза управленческих решений с целью предотвращения ЧС.
Новая парадигма актуальна для реализации в важнейших отраслях экономики, это: тепловая, атомная и гидроэнергетика, добыча и транспортировка топлива, космос и авиация, морской и наземный транспорт, промышленное, гражданское и военное строительство, все видов общего и тяжелого машиностроения, транспортные природно-технические системы и сейсмоопасные объекты, геодинамические, гидроакустические и биоэнергетические системы, геологоразведка, страхование рисков чрезвычайных ситуаций, фундаментальные исследования в области метрологии, неразрушающего контроля и конструкционного на-номатериаловедения.
Миссия новой парадигмы инженерной практики уже реализуется в инновационных приложениях через научно-технологическое взаимодействие инженерной науки с промышленностью, например в сфере энерге-
Российская инженерная академия Научно-промышленные предприятия в области приборостроения, систем управления (СУ) и информационных технологий (1Т)
1 1
Формирование на основе фундаментальных знаний и прорывных прикладных решений опережающего технологического
уклада для достижения устойчивого технологического лидерства на рынке интеллектуальных систем безопасности во всех сферах жизнедеятельности человека
Достижение конкурентно-
способного уровня разработки и производства высокотехнологичной продукции, соответствующей мировым стандартам, с высокой долей интеллектуальной добавленной стоимости
1
Волновая информационная технология (ВИТ) безопасности Природио-технических систем г Диагностика и Прогностика (ДиП) текущего эксплуатационного состояния технических объектов
ю
о с^
со о N
СП
< со
Рис. 4. Целевые приоритеты участников инновационного взаимодействия
ю о
CN
со о сч
СП
J <
со
тики, приборостроения (в том числе, авиаприборостроения), систем управления и информационных технологий и других. Целевые приоритеты РИА и наукоемких предприятий высокотехнологичных отраслей промышленности, как участников процесса инновационного взаимодействия, показаны на рис. 4.
Новые фундаментальные знания и прорывные прикладные инженерные подходы являются основой для создания опережающих технологических решений, которые, в свою очередь, позволяют добиваться научно-промышленным предприятиям устойчивого технологического лидерства на рынке высокотехнологичной интеллектуальной продукции, соответствующей мировым стандартам, с высокой долей интеллектуальной добавленной стоимости во всех сферах жизнедеятельности человека.
Тактика инновационного взаимодействия инженерной науки и современной промышленности состоит в открытом кооперационном творческом сотрудничестве с конкретным разделением функциональных обязанностей по созданию перспективных инструментальных средств обеспечения безопасной эксплуатации создаваемого объекта, с одной стороны, и создание собственно конкурентоспособного объекта с эффективной системой диагностики и прогностики, надежно обеспечивающей безопасную эксплуатацию создаваемого объекта путем разработки, создания, испытания, сертификации, с другой стороны (рис. 5).
Важным аспектом эффективного взаимодействия участников кооперации является универсальность научных и технологических подходов в решении поставленной задачи — создании конкурентоспособного объекта техники.
Российская инженерная академия
Научно-промышленные предприятия в области приборостроения, СУ и IT
Волновая информационная технология безопасности ■ ■ р и р од н о-те х н и ч ее к и х с и сте м
Фундаментальные исследования в области механики упругих систем
Диагностика и Прогностика (ДмП) текущего технического состояния объекта
ТТТ к интегрированной системе диагностики и прогностики
Прикладные исследования процессов волновой механики состояний
Разработка ССПИ с real-time обработкой диагностических параметров состояний
Разработка эскизной технической документации для ЗО-нриемннков волновых колебаний
Разработка, изготовление и поверка ЗО-каналов заданной топологии
Разработка методики траекторией 41)-рсконструкцнн гармонических колебаний
Разработка и изготовление процессора н накопителя согласованных параметров
Разработка алгоритмов векторно-фазовой реконструкции волновых измерений
Разработка ПО реконструкции «букета» траекторных измерении и визуализации
Разработка методики реконструкции LT-фнзичсскнх состояний (НДС)
Разработка расчетных (проектных) моделей объектов ДиП
Разработка методики представления портрета гомеостаза текущих состояний
Разработка моделей текущих эксплуатационных состояний объектов ДиП
Разработка методики прогнозного тренда текущих ресурсных состояний
Разработка моделей прогнозной оценки ресурсных состояний объектов ДиП
Рис. 5. Тактика научно-технологического инновационного взаимодействия
В сфере исследований универсальность реализуется выбором перспективных способов мониторинга диагностических параметров, обеспечивающих адекватность анализа измерений собственно процессам наблюдаемого природного гомеостаза, а также применением эффективного математического аппарата достоверной оценки рисков принятия решений в виде мобильных интеллектуальных экспертных систем безопасности.
В сфере проектирования, производства и эксплуатации конкурентоспособных объектов новой техники универсальность обеспечивается регламентами создания комплексов и систем интегрированной модульной электроники, качеством встраиваемых моделей высокой степени физического подобия режимов, процессов и состояний, обеспечивающих достоверность прогнозного анализа в реальном времени соответствия реальных тактико-технических характеристик объекта заданным в техническом задании его разработки.
Выбранная тактика позволяет использовать преимущества междисциплинарности в исследованиях, межвидовости в разработках, унификации в производстве и мобильности в эксплуатации в качестве факторов опережения и обеспечения конкурентоспособности.
В отличие от тактики, стратегия инновационного взаимодействия предусматривает длительное развитие, обеспечение технологического превосходства и конкурентоспособности создаваемой наукоемкой продукции на мировом рынке, предполагает усиление роли академической, отраслевой и образовательной науки на всех этапах жизненного цикл. Особая роль при этом должна принадлежать научному сопровождению этапов эксплуатации и модернизации новой техники (рис. 6).
Новая парадигма инженерной практики предполагает достижение естественной мерности наблюдения эксплуатационных режимов, процессов и состояний, что позволит эффективно управлять безопасностью эксплуатации экстремально сложных и крупных
Рис. 6. Стратегия научно-технологического инновационного взаимодействия
техногенных объектов и киберсистем. Можно с уверенностью предположить, что креативные возможности ВИТ по уровню адекватности природным физическим закономерностям и достоверности техногенеза ПТС могут составить основу многих направлений в рамках национальной доктрины техногенной безопасности.
Заключение
Таким образом, научно-практические результаты, проведенных в РИА исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. На основе теоретических доказательств и экспериментальных исследований сформирован современный облик парадигмы инженерной практики, представляющий принципиально новый взгляд на некоторые существенные аспекты практического приложения фундаментальных знаний основоположников классической механики сплошной среды, механики упругих систем, волновой механики, термодинамики, теории систем, тензорного анализа, вариационного метода анализа, пространственной метрологии деформационных полей и т. п., не востребованные более трехсот лет в практических наблюдениях процессов, состояний и закономерностей механических объектов и систем.
2. Предложенный в рамках модельного гомеоста-тического проектирования системный взгляд на научно обоснованную интеграцию инновационных подходов в виде волновой информационной технологии (ВИТ) на основе ¿Г-методологии волнового мониторинга состояний (ВМС), синтез-модели тензорного энергетического преобразования состояний (ТЭПС), вычислительных возможностей супернейрокомпьютерных экзафлопных сетецентрических решений реализует новый информационно-метрологический уклад опережающего стратегического лидерства на рынке интеллектуальных систем экотехнологической безопасности во всех инженерных сферах жизнедеятельности человека: машиностроение, энергетика, транспорт, строительство, материаловедение, фундаментальные и прикладные исследования.
3. Промышленная реализация инновационной
информационно-технологической парадигмы наблюдения эксплуатационных состояний и концептуально нового опережающего уклада кластера безопасной жизнедеятельности в качестве междисциплинарного, межотраслевого и межвидового мегапроекта позволит обеспечить не только прорывную конкурентоспособность и им-
портонезависимость наукоемкой и высокотехнологичной техники многих отраслей отечественной промышленности, но и способствовать развитию научно-технического и экономического лидерства нашей страны.
Список использованных источников
1. А. А. Сперанский, К. Л. Захаров, Д. В. Малютин. Фундаментальный поход к реконструкции механических полей для оценки эксплуатационных свойств изделий Оборонпрома//Двигатель, № 1-3, 2009.
2. И. И. Иванюк, А. А. Сперанский и др. Стратегия научного мониторинга критически важных для национальной безопасности и потенциально опасных объектов//Стратегия развития и национальная безопасность, № 3, 2010.
3. А. А. Сперанский. Гомеостатическое модельное проектирование как способ обеспечения техногенной безопасности при создании и эксплуатации объектов новой техники//Двигатель, № 3, 2013.
4. А. А. Сперанский. Стратегия опережающего технологического лидерства на основе интеллектуальных инструментов наблюдения процессов, режимов и состояний. М.: Технодоктрина, 2014. http://vpk.name/news/ 123400.html.
5. А. Б. Бельский. Инновационные механизмы реализации требований по повышению безопасности полетов воздушных судов// Инновации, № 2, 2015.
6. А. Б. Бельский. Систематизация подходов для комплексного решения. Задачи повышения безопасности полетов вертоле-тов//Инновации, № 3, 2015.
7. Е. А. Федосов, В. Косьянчук, Н. Сельвесюк. Интегрированная модульная авионика//Радиоэлектронные технологии, № 1, 2015.
8. А. Дутов, Л. Кузнецов. Методология управления жизненным циклом сложных систем//Радиоэлектронные технологии, № 1, 2015.
9. Л. Н. Борисоглебская, Я. О. Лебедева. Реализация модели открытых инноваций как перспективная форма трансфера технологий и управления интеллектуальным капиталом наукоемкого предприятия//Инновации, № 4, 2015.
Innovative information and metrological technology monitoring and forecasting and the prevention of accidents of technogenic objects
A. A. Speranckiy, doctor of examination, professor, director The High-tech Institute of Engineering and Technology, Russian Academy of Engineering.
A. B. Belskiy, doctor of science, professor, Russian Academy of Enginnering.
The article presents system approach to the development of leading technological solutions, the whole set of which forms the new informational and metrological structure among tools for monitoring, prognosis and prevention of emergencies and industrial disasters.
Keywords: natural synthesis of stress-strain behavior, the wave condition monitoring, the vector-phase reconstruction of measurements, analysis and prognosis of homeostasis, model design.
ю о
CN CO
о N
CD
J <
CQ О
