CC BY
34
№ 9 2006
|001.8:629.5.03-8-192]
О ПРИМЕНЕНИИ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОБЛЕМ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
(В порядке обсуждения)
Канд. техн. наук. доц. А.II. СКИБЛ
Проблема повышения функционально}) надежности рассмот/)ена с полиций системного подхода и теории циклов. Определена взаимосвязь между инновационными свойствами систем, их надежностью, технической и экономической м/)(/)ективносшыо.
Высказано предположение о возмо.ж'ности моделирования системного эффек-та надежности и эффективности судовых энергетических комплексов.
The problem of functional reliability growth is considered from positions of a system approach and the theory of cycles. The correlation between innovative properties of systems, their reliability, engineering and economic efficiency is defined.
It is come out with the conjecture of an opportunity of system effect imitation concerning reliability and the efficiency of energy complexes on ships platforms.
Проблемам повышения эффективности и надежности судовых энергетических комплексов (СЭК) посвящены исследования многих авторов — известных отечественных и зарубежных специалистов [1 —10]. Полученные результаты в большинство случаев представляют несомненный интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения. Однако при их проведении не всегда в полной мере учитываются взаимосвязи изучаемых объектов научно-производственной и организационно-технической системами высшего порядка. В итоге решаемая проблема порой «выхватывается» из общей структуры внутрисистемных и мсжсистемных связей, при этом не учитываются динамика и взаимообусловленное влияние многочисленных факторов. Разрозненные результаты достаточно с татичны, не увязываются между собой, а потому снижается их научная и практическая ценность.
По нашему мнению, основная причина заключается в междисциплинарном отрыве части проводимых исследований от общей концепции системного научного и методологического подхода. В связи с этим нами сделана попытка рассмотрения обозначенной проблемы с позиций теории инноваций И. Шумпстсра и Г. Мсшла, а также диффузионно-волновой теории научно-технического прогресса, изложенной в работах А.И. Анчиш-кина, Н.Д. Кондратьева, Ю. Яковца, С. Мсшыпикова.
Под инновационной деятельностью в процессе разработки, освоения и реализации научно-технических нововведений понимаются виды деятельности, непосредственно связанные с получением и воспроизводством новых научных, научно-технических знаний и их материализацией в виде технических систем различного уровня сложности. В качестве одной из таких систем мы рассматриваем СЭК.
Технические, а соответственно, и :жономические параметры систем зависят, в первую очередь, от типа заложенных в них инноваций.
Радикальные (или базовые) инновации, в основе которых лежат материализованные результаты фундаментальных академических исследований, зарождают продолжительную по длительности и мощную по амплитуде волну «жизненного» цикла системы (ЖЦС).
9 2006
Основанные на новых физических принципах и законах технические системы стремительно вытесняют устаревшие аналоги, длительное время дававшие значи тельный народнохозяйственный эффект.
Крупные инновации, созданные на этапе прикладных исследовании в сгенах отраслевых научно-исследовательских институтов и паучио-исследызатсльских секторов .крупных университетов, позволяют распространить результаты фундаментальных исследований в отраслевой среде и адаптировать их применительно к ее особенностям.
Улучшающие инновации (в основном результаты целевых опытно-конструкторские работ) создаются на базе крупных проблемных лаборатории, а 'также конструкторских и объединенных конструкторских бюро (КБ и ОКБ). Улучшающие инновации позволяю.'!' главным образом- улучшить основные эксплуатационные характеристики базовой модели, а также разработать и создать образцы следующих поколений и модификации.
Так называемые псевдоинновации обычно имеют целью расширение ассортимента создаваемых моделей без существенных изменений их 'технических и эксплуатационных характеристик.
Таким образом, продолжительность жизни системы определяется, в первую очередь, степенью новизны и уникальности технических и технологических решений, лежащих в ее основе. Отсюда закладываются технические и эксплуатационные характеристики системы, определяющие ее эффективность и возможности дальнейшего усовершенствования на различных стадиях ЖЦС.
Техническая эффективность системы — это несколько основных групп показате-JI с й, х а р а ктс р и з у ю I ц и х:
а) общие технические показатели — общий к.п.д. системы, достигнутый за счет повышения параметров термодинамического цикла, утилизации тепловой энергии, применяемых технологических, конструктивных и компоновочных решений;
б) удельные, технические показатели—энерговооруженность, удельный расход топлива и смазочных материалов, материалоемкость;
в) эксплуатационные показатели коэффициент технической исправности системы, средняя продолжительность и объем плановых ремонтно-восстановительных-работ, продолжительность межремонтных периодов, в течение которых сохраняется нормальное либо допустимое состояние систем.
Перечисленные эксплуатационные показатели — это производные от одного из основных показателей технической надежности системы, определяемой вероятностью безотказной работы, параметром потока отказов и наработкой на отказ.
Экономическая эффективность системы — это группа показателей, включающих рентабельность и оборачиваемость основного и оборотного капитала, период окупаемости инвестиций, долю затрат на техническое обслуживание и ремонт в их общем объеме.
В то же время оценить экономическую эффективность системы можно по продолжительности фазы зрелости и амплитуде (высоте) кривой ЖЦ. Таким образом, с одной стороны, экономическая эффективность может быть определена в виде абсолютной величины достигнутого эффекта от эксплуатации данной системы (например, величина чистой прибыли, занимаемая доля рынка), с другой, как конкурентоспособность системы. Дополнительными показателями являются крутизна кривой на участке роста и относительная 1фодолжптельность фазы зрелости, достигнутая за счет семейства модификации. 11римепитсльио к СЭК эти показатели характеризуют быстроту внедрения и распространения базовых технических инноваций, а также широкое признание морским транспортным сообществом новизны и совершенства созданной системы. Другими ело-
№ 9 2006
вами, показатели экономической эффективности представляют собой отношение достигнутого экономического эффекта в виде прибыли, объема производства к затратам, вызвавшим возникновение данного эффекта.
На этапе эксплуатации и ремонта эффективность системы зависи т от состава, качества и взаимодействия ее элементов и способствующих факторов. Одним из 'таких элементов, выполняющих роль фактора и определяющих функциональную надежность системы, является человек.
Взаимосвязь экономической и технической эффективности очевидна. Повышение технической эффективности систем направлено, в первую очередь, на улучшение экономических показателей ее использования ('это основное условие). Таким образом, получение дополнительных экономических преимуществ может быть достигнуто, в первую очередь, за счет использования наиболее совершенных, надежных п дешевых в эксплуатации технических систем.
В то же время, создание и последующая эксплуатация свсрхвысокоэффективпых 'технических средств в ряде случаев может оказаться экономически нецелесообразной, поскольку, например, затраты на создание будут слишком высоки и не смогут окупиться. Другими словами, погоня за излишним качеством не всегда оправдана. Отсюда основной задачей является поиск оптимального соотношения экономической и технической эффективности разрабатываемых либо уже используемых систем на всех этапах и фазах их жизненного никла.
Жизненный цикл системы (ЖЦС) — неразрывно связанные и взаимообусловленные этапио-фазовые переходы системы из одного количественного и качественного состояния в другое па протяжении определенного периода времени.
Этапы ЖЦС— это а) МИР; б) проектирование; в) опытно-конструкторские и 'технологические разработки; г) опытное производство и натурные испытания; д) серийное производство; с) эксплуатация, включающая обслуживание, ремонт и модернизацию;
ж) утилизация. При этом каждый этап проходит последовательно следующие фазы: ........
з а р ож де н и с — рост — з р е j i ост ь (пик) ----- с 11 a j i..
Смена фаз ЖЦС происходит в момент перехода большинства составляющих ее элементов с одного этана ЖЦ на другой. В частности, применительно к сфере водного транспорта окончание этапа поисковых МИР в элементе, условно называемом «научно-исследовательский комплекс», и начало серийного выпуска зарождает фазу роста технической системы, а ее массовая эксплуатация па сериях судов означают переход в фазу зрелости (рис. 1).
Как видно из рис. 1, вся система в целом проходит фазу зарождения па этапе ОКР, роста па этапе начала серийного производства, зрелости па этапе эксплуатации п. наконец, спада на стадии утилизации.
Завершение ЖЦ-систсмы происходит на последнем этапе, когда наступает необходимость либо ее дальнейшей модернизации, позволяющей создать систему с улучшенными эксплуатационными, экологическими или иными характеристиками1, либо ее утилизации. Проведение модернизации позволяет, во-первых, «задержаться» в фазе зрелости за счет вносимых в систему конструкторских и 'технологических усовершенствовании. Во-вторых, за счет этого происходит улучиichtic экономических и эксплуатационных характеристик. В-третьих, в течение достаточно длительного периода времени кон-
1 1апример, во исполнение решении международных конвенции о предо] вращении чей рячнепши окружающей среды, ооеепеченип безопасности, повышен нем мировых пен на нефть, в связи е постепенной vipa'i oíí конкурентных преимуществ, обусловленных моральным старением.
№ 9
2006
Фиш Ж ПС
'-¡рс.ЮС ть ...
/
/
1
/
/
/
/
..........................
Л. - и I: . >а
\
\
\
/л- ЕЙ /г ЖЦ('
Рис. I. Жизненным ннк.ч судового энергетичес ко го комплекса как сложной системы: / /, поисковые*
исследования; / л, опытно-конструкторские разработки; /, /.. опытное освоение; !х
промы
ленное освоение; /, -/. "жеплуатацня; /.
модернизация; /, утилизации
куреитрспосооность системы поддерживается на достаточно высоком уровне за счет «выжимания» из базовой модели всего потенциала, заложенного учеными и конструкторами при разработке и создании системы. Другими словами, количество и радикальность модернизации системы определяются радикальностью инновации, лежащих в ее основе.
Целесообразность и оптимальный момент начала модернизационпых работ (либо утилизации) системы определяются на основании прогнозных 'жономических расчетов уже па стадии получения первых данных о результатах ее серийной эксплуатации.
Принципиально важно то, что фазовые переходы, но сути, отражают, изменения количественных характеристик системы, а этапные переходы есть не что иное, как дпек-рсгпые_изменешш качественного состояния системы.
Завершение этапно-фазового цикла ведет к скачкообразному «технологическом) разрыву», приводящему к зарождению ЖЦ новой системы, основанной на новых научных подходах, технологиях и принципах.
Динамику изменения состояния системы определяют четыре основных фактора:
•— воздействие факторов~внсшисй среды, т.е. систем высшего порядка;
— вну тренний потенциал составляющих ее элементов;
— соответствие (синхронность) их фаз жизненного цикла;
— прочность и характер межэлсмсптных и межсистемных связей.
Нахождение элементов системы в разных фазах ЖЦ приводи т к общему разбалансу
и исключает возникновение положительного эффекта внутрисистемного взаимодействия. В таком случае параметры, характеризующие рост и зрелость системы, либо отсутствуют вообще, либо имеют неудовлетворительные значения. Отсюда наивысшая 'техническая и экономическая эффективность разрабатываемой системы достигается при осознанном совмещении (синхронизации) этапно-фазовых характеристик элементов системы с параметрами внешней системы высшего уровня. Возникающий в результате этого своеобразный «резонанс» способен сформировать в кратчайший срок системный эффект мультипликативного типа.
Обоснование данной точки зрения с позиций волновой теории даст основание считать, что регулирование фазовых и этапных характеристик элементов системы путем пх
№ 9 2006
организованного взаимодействия, упорядочения распорядительных, финансовых и информационных потоков делают возможной фазовую синхронизацию волновых характеристик элементов организационно-технической системы. При этом совпадение фазовых частотных характеристик (под частотой понимается продолжительность развития N4)6-р аз и ого процесса) элементов технической системы с аналогичными характеристиками организационной среды вызывает резонансный эффект.
Для придания этому процессу управляемого и прогнозируемого характера необходимо установить основные зависимости, определяющие условия возникновения данною эффекта.
В качестве определяющего параметра могут быть выбраны разные по суш количественные либо качественные параметры. С одной стороны, цикл жизни может быть описан показателем кумулятивного числа как возникших, так и, что особенно важно, прогнозируемых отказов. С другой стороны (и это будет 'тоже верно, особенно с точки зрения экономической целесообразности), изменениями прибыли и удельных затрат па эксплуатацию и ремонт рассматриваемого объекта. Однако в любом случае мы имеем дело с некой общей закономерностью, поддающейся описанию и всестороннему анализу
Учитывая рассмотренный ранее фазовый характер ЖЦС, с условной долей упрощения можно представить ее в виде функции вида
У~ а + ЬХ+сХ1-<1Х\ Щ
где У— выбранный параметр ЖЦС, X— время; а, Ь, с, с!— коэффициенты, характеризующие воздействие факторов внешней и внутренней среды. Это могут быть-, в частности, первичные и текущие затраты, человеческий фактор, качество смазочных материалов и 'топлива, конструктивные и технологические качества, влияние перегрузок, 'температура внешней среды, общее техническое состояние. В этом случае общий вид кривой ЖЦС (к примеру СЭК), определяемый изменением дохода пли затрат судовладельца на эксплуатацию и ремонт судна, будет иметь вид, показанный на рис. 2.
СО
О
н •
X
о и
5
о X
а 2»
та Ч
X О
С»
_о л
(У X
с. -Я
н
со о
Г) ь
о
о
с;
3 о
10 -
а.
С
1.20 1Ж
0.8(1 О.'ЗО 0,40
ч
Нр(."*;я. г од
Пр!!0Ы/РЛ
№ 9 - 21)06
Представленные на рис. 2 графические зависимости построены на основе предложенной выше зависимости (Г) и в общем виде отражают жизненный цикл С ЭК с точки зрения изменения экономических показателей. При их построении не учтены колебания -тарифов на морские перевозки, размеры фрахтовых ставок, изменения мировых цен па топливо, а также стратегия и качество управления конкретного судовладельца.
Фазу роста характеризуют увеличение поступающих платежей за перевозку грузов и фрахт. Синхронно с ней возрастают затраты на поддержание технического состояния СЭК в исправном и работоспособном состоянии.
С истечением календарного срока службы судовладелец, руководствуясь соображениями рациональности, сокращает расходы на технический менеджмент и стремится «дотянуть» судно до списания илилродажи, «выжимая» из него остатки технического ресурса и надежности.
Площадь, ограниченная этими кривыми, представляет-прибыль судовладельца. В соответствии с основными положениями теории циклов именно динамика изменения прибыли и определяет фазы ЖЦС (рост, зрелость- спад).
В то же время, цикл жизни системы может быть интерпретирован с 'точки зрения теории надежности. Так, вероятность отказов-элементов-системы (другими словами, вс-- личина, обратная вероятности безотказной работы) в процессе физического износа имеет вид стремящейся к единице асимптотически возрастающей функции. Рассмотрим подробнее эти две точки зрения.
1. Исходя из системного понимания цикла жизни объекта и подчинения всех составляющих его элементов приведенной выше общей зависимости вида (I) представляет интерес, во-первых, определение значений и функционального смысла и значений коэффициентов а, Ь, с, сI, во-вторых, нахождение условий одновременной максимизации значений функции У каждого элемента системы. Наконец, самое сложное — это определение типа возникающего системиого-эффекта — аддитивный, мультипликативный, кумулятивный или какой-либо иной.
Функция достигает е-восго максимума, когда ее первая производная становится равной нулю, те. Ь + 2сХ - 3(IX2 - 0. Тогда решение квадратного уравнения относительно ~ положительного корпя даст ответ,"при каком значении X функция принимает максимальное значение. Следовательно, в пашем случае системный эффект, равный максимальному значению К|1Пх, определяется путем нахождения одновременно достигаемого максимума функций )/| в момент времени X всеми элементами системы при различных значениях коэффициентов а-, Ь(, с-, с1с
2. Другой подход, о котором было упомянуто выше, вероятностный. Как известно, вероятность безо ткал юн работ ы систем ы в теч а I и е пер и ода врем С1 ш / о п редеч I я ется ура в пение м
11 - 11 ' II ' .
Отсюда вероятность возникновения отказа системы будет равна
=|-<П«, -П^' + П'-.о.
«• -1 I -1 Ы
В то же время вероятность безотказной работы системы может быть выражена как
и
п
Р{1\т - ¿С (1С з где Хгг. и Г/?. — обобщающие коэффициенты, учитывающие влия-ние факторов, неречислеиных выше.
Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ 35
№ 9 2006
Как видно из рис. 3, восходящая ветвь графика наглядно отражает активную часть жизненного цикла системы. С учетом асимптотического характера функции вероятности P(t) определение се максимума может быть найдено при условии введения некоторого нормативного предельного значения Р(1\)ТК сдсл = Р(0тлх-
Р(0 элемента 1
Р(1) элемента 2
Р(!) элемента 31, годы Р(!) элемента
Рис. 3. Цикл жизни системы к а к изменение не рая тпошт! откупа
Если же задаться некоторыми эталонными промежуточными значениями /)(/)п,). ? то можно определять и промежуточные состояния как самой системы, так и ее элементов. В этом случае появляется возможность интерпретировать Р(/)П!)1 ? ^ г как момент смены фаз ЖЦ, либо его завершения, а следовательно, и прогнозируемую необходимость проведения ремонтов, модернизации, о чем говорилось ранее.
Таким образом, если задаться смыслом и значениями коэффициентов, входящих в приведенные выше уравнения, представляется вполне возможным с определенной степенью достоверности решить лишь вторую, наиболее простую часть общей задачи. При этом необходимо, чтобы выбранные коэффициенты учитывали влияние факторов внешней и внутренней среды: условий эксплуатации; затрат на облуживание и ремонт; качества обслуживания и ремонта и их соответствия фактическому состоянию; конструктивной и технологической надежности.
Относительно же третьей части проблемы, т.е. метода определения максимума всей системы в целом, ответа пока нет. Для каждого инднвпдуальнош случая необходимо либо суммирование внутрисистемных эффектов межэлементного взаимодействия,, либо их перемножение с учетом факторов воздействия изменяющейся внешней среды, либо какой-то иной путь. При этом важно представлять характер изменения этих коэффициентов во времени и с переходом па следующий этап ЖЦС, степень влияния па них внешней среды. Однако это возможно лини, при условии формализации межэлемептных связей, т.е. определения их прочности, однозначности и взаимного влияния.
В качестве примечания следует отметить, что для простых систем, имеющих парал-л ел ь и ы с с в я з и с оби ш м в ь 1 х одо м, в отдел ьных случаях примеп и м а; и I. и тивиый метод (например, суммарный расход нескольких ЦП, суммарное сопротивление нескольких резисторов). В системах, имеющих последовательные связи, суммарный эффект может быть определен путем перемножения значений выходных параметров (например, вероятность наступления ожидаемого собы тия во всех сериях опытов).
Имеется в вил у нормальное, допусти мое л йог) педопусч и мое.
10
30
№ 9 ~ _ 2006
Однако для сложных систем, связанных с воздействием многочисленных стохастических факторов макросреды, однозначно определить характер и метод оценки системного эффекта невозможно.
Выводы
1. Количественные и качественные характеристики СЭК как сложных технических систем определяются потенциалом заложенных в них базовых инноваций. Изменение
абсолютных и относительных показателей технической и экономической эффективное-
< • *
ти СЭК, обладающих достигнутым уровнем новизны и технического совершенства,- определяет периодичность этапно-фазовых переходов,ъ совокупности составляющих ЖЦС.
2. Внутри каждого элемента системы с разной интенсивностью происходят аналогичные этапно-фазовые_изменёния, вызываемые-воздейетвием факторов как внешней, так и внутренней среды. Большинство этих факторов в одних случаях являются управляющими, в других —-управляемыми. Совмещение фаз роста жизненных циклов сопряженных элементов системы вызывает мультипликативный системный эффект, значительно превышающий" по величине обычное состояние системы.
3. Синтезируя основные положения теории систем, инновационной теории научно-технического прогресса и теории циклов, можно предположить, что смоделированный указанным образом "системный эффект межэлементного взаимодействия имеет природу, близкую к резонансной.
4. Для моделирования этого явления и придания ему прогнозируемого неуправляемого характера необходимо задаться ответом: что считать достигнутым системным эффектом, каковы его параметры-и критериальные значения. При прогнозировании системного эффекта должны уметываться результаты факторного анализа стохастических проявлений внешней среды и их воздействия на связи и поведение каждого элемента системы.
5. В контексте рассматриваемой проблемы основной целью применения системного подхода является разработка и обоснование методов формирования в отраслевой транспортной среде системного эффекта максимизации технической, экономической эффективности и эксплуатационной надежности СЭК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А н ч и ш 1С 11 н А. Н. Н ау к а-тех и \ \ к а - э ко и ом и к а. М.: Э ко н о м 11 к а, 1986;
2. Б а ш у р о в Б. П. Пути совершенствования технической эксплуатации вспомогательного оборудования э и е р гети ч е с к и х у ст а н о в о к с удо в ы х транс п о ртн ы х с ре дств: М о н о г р а ф и я. Н о в о р о с с и и с к, Н Г М А, 2002.
3. Г л а з ь е в С. Ю. ~Л ь в о в Д. С\, Ф е т и с о в Г. Г. Э вол юаня те х н и ко -э ко) I о м и ч е с к и х с и сте м: в оз м ож и о ст и и границы центрального регулирования. — М.: Наука, 1992.
4. Г ри н ч-с в Т П. П л а н и р о в а н и с «ж и з н е н н о го ли к л а » и р о м ы ¡плен но й п роду к 11 и I!........ Л.: Л Г У. ! 980.
5. Ы е н ш Г. Технологическии пат / Долговременные тс н денни п в капиталистическом производстве. Отв. ре д. и со ст. Р. М. Э и то в, Н. А. М а к ш I гс в а. — М. 1985.
6. Н и к о да ев В. И., Б р у к В. М. С и сте м оте х н и к а: м стод ы и п р и л о же н и я. Л.: N4 а ш и 1ю стро е ни с. 1985.
7. Ш о ста к В. П., Г с р ш а н и к В. И. Имитационное моделирование судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1985.
8. Ш у м п е т ер И. Те о р и я о ко и о м и ч е с ко го ра з в и т и я. М.: Прогресс. 1982.
9. Як о в е н ко Е. Г., Басе М. И., М а х р о в Н. В. Циклы жизни экономических процессов, объектов и систем....... М.: Наука, 1991.
10. Я к о в е ц Ю. В. Ус ко ре н и е и ау ч н о -тех н н ч е с к и й п р о гр е сс а: т е о р и я 15 о ко н ом и чески й м е х а и и з м. М.; Экономика, 1988.
