CC BY
106
УДК 78.21.35
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЛИКА МОБИЛЬНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ
А.В. Малахов
Представлена методика выбора и обоснования технического облика мобильных метрологических комплексов в условиях сокращения временных параметров на проведение метрологического обслуживания средств измерений. Данный подход в отличие от имеющихся учитывает возможность реконфигурации, вероятность обслуживания и вероятность безотказной работы рабочих место по проведению метрологического обслуживания. Также в методике учитывается ущерб, получаемый от применения метрологически неисправных средств измерений.
Ключевые слова: мобильные метрологические комплексы, надежность, производительность, реконфигурация, ущерб, технический облик.
Эффективность метрологического обслуживания на этапе эксплуатации средств измерений (СИ) в большей степени зависит от технического облика мобильных метрологических комплексов (ММК). Облик определяется составом автоматизированных (АРМ) и неавтоматизированных рабочих мест (РМ), применяемых для аттестации эталонов, поверки СИ в местах их эксплуатации, без демонтажа с образцов. Под техническим обликом будем понимть совокупность структурных и параметрических данных, отражающих наиболее существенные технические решения и особенности комплекса, состав конфигураций и способы объединения его функционально связанных элементов между собой при условии полной реализации заданных функций. Конфигурация представляет собой функционально связанные рабочие места, оснащенные рабочими эталонами, рабочими средствами измерений, средствами вычислительной техники, вспомогательными устройствами и оборудованием и предназначенные для метрологического обслуживания средств измерений определенной номенклатуры. Таким образом, обеспечение требуемого уровня эффективности метрологического обслуживания средств измерений в местах их эксплуатации на основе выбора рационального технического облика является актуальной военно-научной задачей.
В формализованном представлении данная задача имеет следующий вид:
х* = а^шах Робс (х), (1)
Кп (х)<Кд„
П (х )< Пд
Сэксп (х)<Сэксп
225
где х - вариант технического облика ММК; Робс (х) - вероятность метрологического обслуживания СИ; Кп- коэффициент простоя ММК; Кд -допустимое значение коэффициента простоя ММК; П (х) -
производительность ММК; Пд - допустимое значение производительности ММК; Сэксп (х) - затраты на эксплуатацию, включающие ущерб из-за отклонения значений метрологических характеристик от предъявляемых к ММК требований; Сдэксп - допустимые затраты на эксплуатацию, включающие ущерб из-за отклонения метрологических характеристик от предъявляемых к ММК требований.
Решение поставленной задачи осуществляется по схеме, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Поблочная схема выбора технического облика
1. Блок анализа исходных данных и формирования плана метрологического обслуживания.
В данном блоке проводится анализ заявок на проведение метрологического обслуживания (МлО), поступивших от закрепленных за метрологическими подразделениями организаций на планируемый год. Анализируется парк СИ, подлежащих МлО в планируемом году. Проводятся анализ и подготовка всей номенклатуры АРМ и РМ, как входящих в состав мобильного метрологического комплекса, так и имеющихся в подразделении. Также на этом этапе согласно руководящим и нормативным документам, формируется и утверждается установленным порядком план-график представления воинскими частями (подразделениями) на аттестацию эталонов (поверку СИ) в планируемом году. Здесь появляется возможность
226
сформировать предварительные планы-задания выездным метрологическим группам (ВМГ) и определить объем измерительных задач, силы и средства необходимые для их своевременного, качественного и эффективного выполнения.
2. Блок анализа и определения возможности реконфигурации и размещения.
На данном этапе проводится анализ принципов построения АРМ и РМ, массогабаритных характеристик входящих в их состав рабочих эталонов. Отсечение АРМ и РМ, предназначенных только для стационарного размещения и не имеющих возможность транспортировки в составе эталонной базы мобильного метрологического комплекса, рассчитывается согласно уравнению
+ P2S2 + P3S3 + .. + bnSn ® max, A1S1 + A2S2 + A3S3 +... + AnSn £B, ( )
где b - полезность АРМ и РМ при проведении метрологического обслуживания СИ ВН в местах их эксплуатации, количественная оценка которой, заключается в ее производительности; S - переменная, принимающая два значения, а именно 0 и 1, при этом S = 1, если принято решение о размещении в мобильном метрологическом комплексе, и S = 0 в противоположном случае; A - массогабаритные характеристики эталонов входящих в состав РМ; B - максимально возможная вместимость мобильного метрологического комплекса, связанная с особенностями применяемого для данного типа комплекса кузов-фургона, выполненного по модульной технологии либо из полноформатных «сэндвич»-панелей с несколькими слоями по бескаркасной технологии.
3. Блок анализа и расчета производительности номенклатуры рабочих мест и мобильного метрологического комплекса в целом в условиях неопределенности информации о степени автоматизации рабочих мест.
Неопределенность информации о степени автоматизации рабочих мест в данном блоке решается путем совместного применения метода экспертной оценки и математического аппарата теории нечетких множеств. Далее по представленной в работе [1] методике рассчитывается производительность рабочих мест и мобильного метрологического комплекса в целом по формуле
П АРМ =т:-1-:—, (3)
(1 АРМ)
где ПАРМ (x) - производительность рабочих мест; /иАРМ - степень автоматизации РМ; t - нормы времени по выполнению метрологического обслуживания средств измерений конкретного типа СИ ВН.
227
Проверка условия ПАРМ (х) > Пд, где Пд - допустимое значение производительности рабочих мест (определяется руководящими документами).
Итоговая производительность мобильного метрологического комплекса
ПММК = X ПАРМ . (4)
4. Блок формирования вариантов конфигурации технического облика.
На основе результатов, представленных в работе [2], формируется множество вариантов конфигурации технического облика мобильного метрологического комплекса на каждый планируемый месяц с учетом неопределенности информации о моментах поступления СИ ВН на обслуживание, которая связана с территориальным распределением и отсутствием данных о конкретных днях представления СИ. Рассчитываются основные показатели результативности для всех вариантов, в качестве которых выступают вероятность метрологического обслуживания СИ в местах их эксплуатации и коэффициент простоя мобильного метрологического комплекса по следующим формулам:
- для вероятности метрологического обслуживания
к
X Робс (х)
обс
Робс (х) = ^-, (5)
к
где Робс (х) - вероятности метрологического обслуживания вариантом конфигурации мобильного метрологического комплекса; К - конфигурации технического облика;
- для коэффициент простоя мобильного метрологического комплекса
к
X К п (х)
Кп (х) = , (6)
к
где Кп (х) - коэффициент простоя варианта конфигурации.
5. Блок анализ вариантов конфигурации на основе функции стоимости затрат на эксплуатацию средства измерений с учетом надежности и ущерба вычислятся так:
(Л т Г Л(н Л
С(г) = т +1 X ср (г) + с, , (7)
иг - ЛI=1 у
где С (г)- функция стоимости эксплуатации средства измерений; Т -назначенный ресурс; г - время дрейфа эксплуатационно-технической характеристики; N - количество эксплуатационно-технических характери-
стик средства измерений; Рс (г) - вероятность безотказной работы ММК; С - величина ущерба из-за метрологической неисправности; С{ - стоимость метрологического обслуживания средства измерения.
Под надежностью понимается свойство исследуемого объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [3].
Задачи, решаемые мобильным метрологическим комплексом как в мирное время, так и в особый период, обуславливают повышение требований по надежности к рабочим местам, входящим в их состав. Реализация повышенных требований обуславливает необходимость применять все методы обеспечения и поддержания надежности как на этапе проектирования, так и на этапах производства и особенно эксплуатации. Условное разделение методов обеспечения требуемого уровня надежности на группы достаточно подробно описаны в [3]. Особое место в ряду прочих занимают методы повышения надежности систем введением резервирования.
Значения показателей надежности мобильного метрологического комплекса устанавливаются по согласованию между заказчиком и разработчиком, с учетом достигнутого уровня и современных тенденций повышения надежности как отечественных, так и зарубежных аналогов, результатов полученных в ходе НИОКР, в которых проведено обоснование требований к надежности проектируемых (модернизируемых) образцов мобильного метрологического комплекса, а так же технико-экономических возможностей разработчиков и заказчиков. Количественные значения показателей надежности должны соответствовать заданному уровню на протяжении всего срока эксплуатации мобильного метрологического комплекса.
Мобильный метрологический комплекс как сложная техническая система состоит из подсистем (элементов), представленных на рис. 2.
Мобильный метрологический комплекс
...... >—............и....... .. . . . . —. . .и . . . • -Ц. и а .и
Подсистема измерений Подсистема жизнеобеспечения Подсистема электропитания Подсистема эксплуатации
ЛГ ч г 1Г 1 Г
Рабочие места (автоматизированные, выносные, неавтоматизированные) Фильтровентиляционная установка; Кондиционер; Отопительно-вентиляционная установка Автономное Электрой итание; Промышленные сети Комплекты ЗИП (для контроля параметров оборудования)
Рис. 2. Основные подсистемы метрологического комплекса
229
Исходя из определения мобильного метрологического комплекса, основной является подсистема измерений, состоящая из функционально связных рабочих мест оснащенных рабочими эталонами, рабочими средствами измерений, средствами вычислительной техники, вспомогательными устройствами и оборудованием и предназначенных для поверки и ремонта средств измерений определенной номенклатуры. Рассматривая мобильный метрологический комплекс с позиции теории надежности, структурная схема подсистемы измерений имеет вид.
......ж -- РМ 2 — РМ7У
Рис. 3. Обобщенная структурная схема надежности мобильного метрологического комплекса
Целесообразно рассмотреть данную подсистему более подробно. На эту систему, как и на весь комплекс в целом, воздействуют ряд субъективных и объективных факторов. По виду воздействия они подразделяются на конструктивные, производственные и эксплуатационные. Влияние конструктивных факторов состоит в том, что они определяют ремонтопригодность, удобство технического обслуживания и возможность автоматизации, иначе говоря, действия конструкторов (производителей). На снижение воздействия на систему производственных факторов оказывает влияние выбранная технология производства, порядок организации технологического процесса, а так же контроль комплектующих изделий и оборудования. Основными эксплуатационными факторами, влияющими на надежность системы, являются: различные воздействия окружающей среды, условия работы и квалификация персонала, эксплуатирующего данную систему. Следовательно, при выборе рационального технического облика мобильного метрологического комплекса для повышения вероятности метрологического обслуживания СИ в местах их эксплуатации, необходимо учитывать надежность его основных подсистем (подсистема измерений), выполняющих целевую функцию. Определение надежности рабочих мест и всего комплекса в целом производится в порядке, представленном на рис. 4.
Применительно к техническому облику мобильного метрологического комплекса схема резервирования по основным признакам классифицируется как структурное, динамическое, раздельное, нагруженное резервирование, без восстановления. Структурное, так как формирование облика осуществляется с применением дополнительных рабочих мест (резервных объектов). Динамическое вследствие того, что на каждый месяц формируется конфигурация с переменной структурой рабочих мест. Раздельное, потому что варианты конфигурации дублируют определенные рабочие места, а не весь комплекс. Нагруженное, так как все рабочие места технического облика функционируют в одних и тех же условиях и режи-
230
мах, то есть, заняты метрологическим обслуживанием СИ. Без восстановления, по причине того, что работа комплекса проводится в местах эксплуатации СИ и отсутствия возможности замены отказавшего рабочего эталона. Основным показателем надежности комплекса является вероятность безотказной работы [4].
Составление набора расчетных формул
Расчет надежности системы
_ЗГ_
Анализ результатов и принятие решения
Рис. 4. Порядок расчета надежности
Вероятность безотказной работы нагруженной системы Рс ), у которой все элементы неравнонадежны, с раздельным резервированием за заданное время / имеет вид
N т
рс а)=п (1 -п (1 - Ри а))),
7=1 /=1
где N - основные рабочие места базового технического облика комплекса (элементы системы); т - дополнитеные рабочие места (резервные элементы) рационального технического облика; р^ ^)- вероятность безотказной работы каждого элемента системы.
Базовый технический облик мобильного метрологического комплекса состоит из пяти основных рабочих мест. Для повышения вероятности метрологического обслуживания СИ в местах эксплуатации вводятся дополнительные рабочие места, на основании заявок, поступивших от воинских частей. Количество дополнительных РМ зависит от месяца обслуживания и объема измерительных задач. Структурная схема надежности рационального технического облика мобильного метрологического комплекса на один из месяцев обслуживания представлена на рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема надежности мобильного метрологического комплекса
7. Блок принятия решения по выбору рационального технического облика мобильного метрологического комплекса по критерию превосходства в условиях сокращения временных параметров на обслуживание.
Критерий превосходства Ж определяется следующим выражением
[5]:
Ж | п (щ с{щД })
л
ч/=1
п гп / \ _
ппК>щ)|, /=1
V/=1 У=1
п
У = 1, т , / -е свойство I -го превосхо-
где I - номер превосходящего варианта; wil дящего варианта.
Из оставшегося множества вариантов технического облика, по критерию превосходства с учетом введенных ограничений и допущений, а так же по основным показателям результативности выбирается рациональный технический облик по формуле (1).
Объект, для которого выполняется условие, превосходит по качеству все остальные объекты. На рис. 6 проиллюстрированы критерии пригодности, оптимальности по первому свойству и превосходства для пяти объектов, обладающих двумя свойствами. Как видно из рис. 6, первый, второй, третий и пятый объекты пригодны, а четвертый объект не пригоден. Кроме того, только первый и третий объекты оптимальны по первому свойству, а третий является превосходным.
Превосходный Пригодные
Д
Рис. 6. Выбор технического облика по критерию превосходства
,опт д
Таким образом, в работе представлен научно-методический аппарат выбора рационального варианта технического облика мобильного метрологического комплекса, который учитывает большое количество объективных и субъективных факторов. Полученные результаты могут быть
232
применены при военно-научном и технико-экономическом обосновании процессов создания перспективных систем метрологического обеспечения, а также повышении эффективности существующих систем.
Список литературы
1. Малахов А.В., Епишин К.В. Методика расчета производительности мобильных метрологических комплексов // Сб. науч.-метод. тр. I Всероссийской науч.-практ. конф. «Актуальные вопросы развития вооружения, военной и специальной техники войск противовоздушной и противоракетной обороны, космических войск воз-душно-космических сил» 22.04.2016. М.: Военный институт МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. С. 120128.
2. Гусеница Я.Н., Малахов А.В. Имитационная модель функционирования реконфигурируемых метрологических комплексов в условиях неопределенности информации о моментах поступления средств измерений на метрологическое обслуживание // Ученые записки КнАГТУ. № III -1(27) 2016. Науки о природе и технике. С. 32 - 46.
3. Обеспечение надежности сложных технических систем: учебник. 2-е изд., стер. / А.Н. Дорохов, В.А. Керножицкий, А.Н. Миронов, О.Л. Шестопалова. СПб.: Изд-во «Лань» 2016. 352 с.
4. Смагин В.А. Техническая синергетика. Вероятностные модели сложных систем: монография. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского. 2004. 171 с.
5. Петухов Г.Б., Якунин В.И. Методологические основы внешнего проектирования целенаправленных процессов и целеустремленных систем. М.: АСТ, 2006. 504 с.
Малахов Александр Владимирович, адъюнкт, sanya-mal 1 @yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
THE METHOD OF RATIONAL JUSTIFICATION OF TECHNICAL SHAPE OF MOBILE METROLOGICAL COMPLEXES
A. V. Malakhov
The paper presents a methodology for the selection and justification of technical shape of mobile metrological complexes in terms of reducing time parameters on metrologi-cal service of measuring instruments. This approach, unlike existing allows for the possibility of reconfiguration, the probability of service and the probability offailure-free working place for carrying out of metrological maintenance. The methodology takes into account the damage resulting from the use offaulty traceable measuring instruments.
Key words: mobile metrological complexes, reliability, performance, reconfiguration, damage, technical appearance.
Malakhov Aleksandr Vladimirovich, postgraduate, sanya-mal 1 @yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Military and Special Equipment, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
