CC BY
20
2. Были рассчитаны существующие рецептуры, утвержденные на Ачинском НПЗ. Было показано, что для рецептур смешения бензина марки АИ-92 наблюдается как недостаток октанового числа, так и перерасход сырья - октановое число больше 92; для марок бензина АИ-95 и АИ-98 почти все рецептуры не дали желаемого результата.
3. Исходя из несоответствия рецептур указанным маркам бензина, были скорректированы и рассчитаны рецептуры смешения бензинов марок АИ-92, АИ-95 и АИ-98. Все скорректированные рецептуры отвечают экологическим требованиям согласно Техническому регламенту.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1.
2.
Рис. 2. Содержание МТБЭ Выводы
1. Были рассчитаны октановые числа легких и тяжелых риформатов с установок ОАО «АНПЗ ВНК». Установлено, что риформаты, полученные в разное время, имеют отличные друг от друга октановые числа. Также было установлено, что октановые числа тяжелых риформатов в большей степени зависят от количества ароматических углеводородов. Все указывает на необходимость учета состава сырья при разработке рецептур смешения бензинов и на то, что невозможно выработать универсальную и единую рецептуру смешения.
Бутанол и этанол - мировые перспективы -рынок топлива [Электронный журнал] // Проблемы местного самоуправления : сайт журн. URL: http://www.samoup-ravlenie.ru/40-10.php (дата обращения 15.03.2013). Моделирование процесса приготовления товарных бензинов на основе учета реакционного взаимодействия углеводородов сырья с высокооктановыми добавками / Киргина М. В. и др. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2012. № 4. С. 3-8.
3. Разработка базы данных по октановым числам для математической модели процесса компаундирования товарных бензинов / Ю. А. Смышляева и др. // Известия Томс. политехн. ун-та. 2011. Т. 318. № 9. С. 75-80. Ачинский нефтеперерабатывающий завод [Электронный сайт]. URL:
http://achnpz.ru/index.php (дата обращения 25.03.2013).
4.
УДК 629.7.658.58.004(22) Кашковский Виктор Владимирович,
к. т. н., с. н. с., доцент кафедры информационных систем, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-914-94-31-230
СИНТЕЗ КЛАССОВ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
W. W. Kashkovsky
SYNTHESIS OF CLASSES OF TECHNICAL OPERATION SYSTEMS
Аннотация. Показано, что эффективное и безопасное применение по назначению массовых изделий промышленности возможно только в рамках систем технической эксплуатации, примером которых являются крупные транспортные
компании. Предлагаются классификация и общий подход к созданию методик управления состоянием систем технической эксплуатации.
Ключевые слова: системы технической эксплуатации, управление состоянием систем
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
ш
технической эксплуатации, системный анализ, синергетика.
Abstract. It is shown that the effective and safe intended use of industrial products is only possible within the framework of technical operation systems, an example of which are the largest transportation companies. Classification and general approach to technical operation systems state management practices are proposed.
Keywords: systems of technical operation, technical operation systems state management, system analysis, synergetics.
К середине XX столетия серийный выпуск однотипных изделий (технических объектов) в промышленности и на транспорте стал измеряться сотнями тысяч и даже миллионами экземпляров. Применение по назначению столь объемных парков однотипных изделий привело к возникновению такой сферы деятельности, как техническая эксплуатация. Техническую эксплуатацию можно определить как совокупность организационных, научных и практических мероприятий, направленных на поддержание исправности и готовности к применению однотипных изделий и осуществляемых соответствующими системами технической эксплуатации (СТЭ).
СТЭ можно разделить на два вида:
1. СТЭ изделий индивидуального использования. Такая система характерна, например, для владельцев личного автотранспорта, которые самостоятельно эксплуатируют каждый свою единицу автотранспорта и по своему усмотрению организуют ее ремонт и техническое обслуживание. Для этой системы характерно практически полное отсутствие организационных связей между владельцами автотранспортных средств, что, в свою очередь, не позволяет ей в полной мере обеспечить эффективность использования изделий. Поэтому для обеспечения безопасности эксплуатации приходится вводить в систему искусственные организационные связи, например, в виде обязательного технического осмотра автотранспорта.
2. СТЭ изделий корпоративного использования. Примерами таких систем являются эксплуатация газовых центрифуг на предприятиях по обогащению урана, крупные транспортные компании воздушного, железнодорожного, речного и морского транспорта, военная авиация и т. п. Достоинством СТЭ корпоративного использования является наличие четко обозначенных организационных связей, позволяющих обеспечить необходимую эффективность и безопасность использования промышленных и транспортных объектов.
СТЭ изделий индивидуального использования относятся к плохо организованным системам, в которых обеспечение эффективности использования промышленных и транспортных объектов представляется достаточно затруднительным. Поэтому далее будем рассматривать только СТЭ второго вида.
В целях обеспечения эффективности использования промышленных и транспортных объектов СТЭ, независимо от вида транспорта и типа промышленных объектов, призваны обеспечить решение трёх основных задач:
- полнота и качество выполнения изделиями своих функций по предназначению.
- безопасность эксплуатации (для транспортных объектов - безопасность движения);
- экономичность эксплуатации.
Обеспечение высокой эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов имеет важнейшее народно-хозяйственное значение, поскольку является одним из основополагающих направлений экономического развития страны. Так, например, в условиях массовой эксплуатации даже незначительное уменьшение затрат на содержание единичного изделия может привести к значительной экономии финансовых средств. И наоборот, в условиях острой промышленной конкуренции любое, пусть и незначительное, увеличение подобных затрат способно привести к утрате внутреннего и международного рынка сбыта промышленной продукции и, как следствие, большим финансовым потерям.
Для того чтобы конкретный технический объект мог эффективно и безопасно использоваться по назначению, СТЭ должна постоянно поддерживать его в работоспособном и готовом к применению состоянии. Этот процесс принято называть управлением состоянием технического объекта.
Вопросы управления состоянием технических объектов частично рассматриваются в ряде научных дисциплин, таких как теория надежности в технике, теория структурной надежности, техническая диагностика, испытания на надежность, теория систем массового обслуживания и других.
Одной из методологических посылок, на которых основаны многие научные труды, является утверждение о том, что если в рамках СТЭ осуществлять эффективное управление состоянием каждого технического объекта в отдельности, то и СТЭ в целом будет эффективна. Вместе с тем теория системного анализа предполагает, что одной из основополагающих закономерностей систем является взаимодействие части и целого
(эмерджентность). Эмержентность отрицает применимость редукции к сложным динамическим системам, к которым относится и СТЭ, поскольку сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов любой системы в подавляющем большинстве случаев придает системе новое качество, отличающее систему от простой суммы независимых качеств ее элементов. Исходя из этого, предлагается такое понятие, как «управление состоянием СТЭ», означающее эффективное управление состоянием множества технических объектов, её составляющих.
Очевидно, что для дальнейшего повышения эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов необходимо развитие методов управления состоянием СТЭ. Однако, несмотря на большое количество работ в области управления состоянием технических объектов, методология управления состоянием СТЭ развития так и не получила.
Для эффективного управления состоянием СТЭ необходимо решить комплекс сложных и актуальных научных задач по фундаментальному исследованию законов функционирования СТЭ и разработке методов управления состоянием СТЭ. В совокупности этот комплекс научных задач составляет проблему разработки методологических основ управления состоянием СТЭ. В силу своей мультидисциплинарности и невозможности решения данной проблемы в рамках существующих теорий она может быть решена только с применением системного подхода.
По С.Л. Оптнеру, система определяется заданием системных объектов, свойств и связей. Системные объекты - это вход, процесс (в случае СТЭ это процесс технической эксплуатации), выход, обратная связь и ограничение [0].
Выход СТЭ представлен вектором параметров надежности и других функционально-хозяйственных параметров СТЭ, являющихся функцией времени
У(*э ) = (т, и, к, гЭ ), (1)
где у(гЭ) - вектор выходных параметров СТЭ; ?э - время эксплуатации СТЭ или продолжительность жизни СТЭ; 5 - закон функционирования СТЭ; т - надежность изделий, участвующих в процессе технической эксплуатации, характеризуемая плотностью распределения наработки изделий до отказа /(г); г - наработка изделия; и -обратная связь; к - ограничения СТЭ.
Наиболее информативным параметром надежности на выходе СТЭ считается интенсивность отказов Ч(гэ).
Вход системы х = (т, и) .
Для управления состоянием СТЭ орган, принимающий решение, назначает и , например, назначенный ресурс Тр е и, где и - множество
неопределенностей на входах управления. Для этого используются отображения СТЭ Р(т, и) = у и х, у) = т .
Данные отображения (модели) используются органом управления состоянием СТЭ для принятия решения по достижению двух основных целей управления г:
- удержание СТЭ в заданном состоянии параметров надежности по отображению Р(т, и) = у при условии неизменной надежности изделий, поставляемых промышленностью;
- наиболее эффективное применение парка изделий по назначению в условиях меняющейся надежности изделий, поставляемых промышленностью. Другими словами, отображение 0(х, у) = т необходимо для проведения обоснованной рекламационной работы.
До настоящего времени применяют преимущественно эвристические отображения СТЭ Р(т, и) = у и 0(х, у) = т . Основной причиной этого является неизученность законов функционирования СТЭ (1).
Для решения проблемы разработки методологических основ управления состоянием СТЭ необходимы научные методы построения отображений Р(т, и) = у и х, у) = т, основанные на представлении СТЭ в виде (1). Ранее такой подход не рассматривался, поэтому по умолчанию предполагалось, что закон
Чг) =
/ (г)
Р(г)
(1)
где
г
Р(г) = 1 / (т)Л
т)ат - вероятность отказа изде-
лия, является универсальным и пригоден для описания закона функционирования любой СТЭ.
Отсутствие системного подхода привело к тому, что существующие теория надежности в технике и теория структурной надежности вынуждены мириться с тем, что они основаны на взаимоисключающих концепциях. Так, теория надежности в технике основана на предположении, что интенсивность отказов по (1) монотонно возрастает по мере наработки г (например, [0, 0, 0, 0] и др.). В свою очередь, теория структурной надежности основана на том, что в выражении (1) интенсивность отказов любых изделий постоянна (например, [0, 0, 0] и др.):
0
X(t) = const = X = —, (2)
Ti
где T - средняя наработка до отказа, найденная при испытании на надёжность.
В качестве примера концептуального несоответствия моделей СТЭ на рис. 1 показаны модели интенсивности отказов одного и того же изделия, полученные разными методами:
- X(t) по (1), согласно теории надежности в технике;
- X(t) при испытании на надежность, полученная методом статистического моделирования [0];
- X(t) = X по (2), согласно теории структурной надежности.
Отличительной чертой СТЭ является то, что они включают в себя самоорганизующийся процесс технической эксплуатации. Самоорганизующимся этот процесс следует считать потому, что множество влияющих на него входных сигналов х заставляет элементы процесса (изделия) совершать хаотическое движение, которое, тем не менее, приводит к упорядоченности СТЭ и может быть описано законом функционирования (1).
МО. М :
1(Г3 1ч
240 ™ZG
:сс
130^ 161 140 120 loose Ей 40 2t о;
С 50 1«) 150 -.' ..1 ISC ; . час
Рис. 1. Законы функционирования СТЭ классов A, B и C
И. Пригожин назвал упорядоченность, возникающую в открытых нелинейных системах, далеких от равновесия, и существенно связанную с рассеянием энергии, вещества или информации, диссипативными структурами [0]. При изменении ограничений в процессе технической эксплуатации происходит самоорганизация, вызванная изменившимися условиями существования, возникает новая диссипативная структура, изменяется закон функционирования (1) и получается СТЭ, отличающаяся от исходной. В соответствии с законами синергетики, исследованными Дж. Марсде-ном, М. Мак-Кракеном, И. Пригожиным, С.П. Капицей, Г. Хакеном и др., это явление будем называть бифуркацией СТЭ.
В синергетике существует такое понятие, как аттрактор - компактное подмножество фазового пространства динамической системы, все траектории из некоторой окрестности которого
стремятся к нему при времени, стремящемся к бесконечности. С точки зрения необходимости решения задач по управлению СТЭ, определение положения аттрактора СТЭ при заданных т , и и И является актуальной научной и хозяйственной задачей.
Системный анализ проблемы позволил найти точки бифуркации СТЭ и выполнить синтез классов моделей СТЭ, актуальных для исследования в настоящее время.
В качестве общего ограничения для всех классов моделей СТЭ примем постоянство т. Кроме того, в качестве общего ограничения для всех классов предполагается, что в момент ?э =0 все изделия в ее составе исправны и имеют нулевую наработку.
Все классы СТЭ можно разделить на СТЭ с синхронной и асинхронной наработкой изделий.
Синхронность наработки означает, что для любого времени эксплуатации СТЭ 0 < < да выполняется равенство:
^ = Х}, г = \ЖЭ, } = Щ ^,
где ^ и tj - наработка исправных изделий, принадлежащих СТЭ; N - количество изделий, участвующих в процессе технической эксплуатации.
Асинхронность наработки означает, что для любого времени эксплуатации СТЭ 0 < ^ < да выполняется неравенство:
^ * tJ, г = Щ , ] = Щ.
Снятие ограничений исходного класса или добавление к ним новых ограничений является точками бифуркации СТЭ, схема которых приведена на рис. 2. Исходным или базовым принят класс А.
Перечислим названия классов СТЭ:
1. Класс А. СТЭ для проведения испытания на надежность.
2. Класс В. Модель гипотетической СТЭ для проведения испытания на надежность с бесконечным множеством изделий.
3. Класс С. СТЭ, характеризуемая установившимся процессом эксплуатации до отказа парка однотипных невосстанавливаемых изделий.
4. Класс Б. СТЭ, характеризуемой процессом эксплуатации до отказа парка однотипных невосстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.
5. Класс Е. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации по ресурсу парка однотипных невосстанавливаемых изделий.
6. Класс Б. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации по ресурсу парка однотипных восстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.
Рис. 2. Точки бифуркации и классы СТЭ
7. Класс G. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации по ресурсу парка однотипных восстанавливаемых изделий с синхронной наработкой.
8. Класс К СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации до предотказового состояния (метод эксплуатации по состоянию) парка однотипных невосстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.
9. Класс I. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации до предотказового состояния парка однотипных восстанавливаемых изделий с асинхронной наработкой.
10. Класс J. СТЭ, характеризуемая процессом эксплуатации до предотказового состояния парка однотипных восстанавливаемых изделий с синхронной наработкой.
Ограничения СТЭ различных классов сведены в табл. 1.
Исследования показали, что существующие модели интенсивности отказов (по сути модели СТЭ) можно отнести к разным классам. Из них наиболее полно исследованы аналитические модели СТЭ классов B по (1) и C по (2).
С точки зрения деления законов функционирования СТЭ на классы, показанное на рис. 1 концептуальное несоответствие математических моделей потока отказов на самом деле является представлением законов функционирования СТЭ
классов A, B и C. Поскольку данные модели относятся к разным классам СТЭ, постольку они имеют разные законы функционирования и аттракторы. Поэтому какого-либо противоречия между моделями разных классов нет.
Для исследования законов функционирования СТЭ различных классов были разработаны статистические модели СТЭ. В рамках этих исследований было создано оригинальное программное обеспечение общим размером 14,5 Мбайт exe-файлов [0]. Используемая среда программирования - Borland Delphi 7 Enterprice.
В настоящее время в научной литературе большое распространение получили модели СТЭ классов A, D, E, F, G, H, I и J на основе модели СТЭ класса B. В ходе исследования законов функционирования СТЭ [0] было установлено, что данные модели позволяют выполнять только качественное управление состоянием СТЭ. Причиной этого являются методические погрешности выражения (1) в случае, если его использовать для описания законов функционирования СТЭ других классов. В частности, на рис. 1 показано расхождение между моделью A,(t) класса B и моделью
А,*(t) класса A одного и того же изделия. Количественные методы управления состоянием СТЭ в настоящее время отсутствуют.
Т а б л и ц а 1
Ограничения СТЭ_
Ограничение Классы СТЭ
A B C1 D E F G H I J
Синхронная наработка изделий + + - - - - + - - +
Дискретность tэ + - + + + + + + + +
Продолжительность этапа эксплуатации жизненного цикла t 2 э max да да да да да да да да да
Начальный объем парка изделий N3 N ^да N 4 э N э N э N э N э N э N э N э
Замена отказавших изделий - - + + + - - + - -
Ремонт отказавших изделий - - - - - + + - + +
Периодический ремонт - - - - - + + - + +
Замена изделий по пре-дотказовому состоянию - - - - - - - + - -
Ремонт изделий по пре-дотказовому состоянию - - - - - - - - + +
Замена изделий по выработке назначенного ресурса - - - - + +5 +5 - +5 +5
Примечания: 1. Дополнительное ограничение класса C: t3 ^да. 2. Дополнительное ограничение класса A: t3max <(Ю. 3. Дополнительное ограничение класса A: 1 << N <да, N3 = var. 4. Общее ограничение классов D-J: N3 = const < да. 5. Для классов F, G, H и J предельным состоянием считается такое, при котором дальнейшие ремонты отказов становятся экономически нецелесообразны.
Также было установлено, что в общем виде отсутствуют аналитические модели СТЭ классов A, О, E, Р, G, Н, I и J. Теоретические предпосылки для создания аналитических моделей данных классов в настоящее время неизвестны.
На основе результатов системного анализа были предложены концептуальные принципы управления состоянием СТЭ:
1. Для эффективного управления состоянием технических объектов необходимы количественные методы управления состоянием СТЭ.
2. Разработка количественных методов управления состоянием СТЭ возможна только на основе полных знаний о законах функционирования СТЭ.
3. Законы функционирования СТЭ различаются, поэтому не существует универсального аналитического аппарата, способного описать функционирование любой СТЭ.
4. Законы функционирования СТЭ определены действующими в системе ограничениями И , используемыми при решении проблемы разработки методологических основ управления состоянием СТЭ как квалификационный признак.
5. Существующие системные ограничения СТЭ в промышленности, авиации и железнодорожном транспорте позволяют выделить для ис-
следования десять наиболее актуальных на настоящий момент классов СТЭ.
6. До настоящего времени не были исследованы законы функционирования восьми классов СТЭ из десяти.
7. Статистическое моделирование [0] является универсальным гносеологическим методом для исследования законов функционирования СТЭ.
8. Методы управления состоянием СТЭ можно разделить на два практически значимых класса:
а) методы управления состоянием СТЭ при постоянной надежности изделий, поставляемых промышленностью (методы управления состоянием СТЭ по отображению Р(т, и) = у);
б) методы управления состоянием СТЭ по поддержанию заданной надежности изделий, поставляемых промышленностью (методы управления состоянием СТЭ по отображению х, у) = т).
9. Основной научно-практической задачей теории управления состоянием СТЭ является разработка общего методологического подхода к разработке методик управления СТЭ.
Структура взаимосвязей основных теоретических разделов предметной области, образующая методологию основ управления состоянием СТЭ, показана на рис. 3.
Рис. 3. Структура взаимосвязей основных теоретических разделов предметной области
Для решения проблемы разработки методологических основ управления состоянием СТЭ было необходимо разработать ряд важных теоретических разделов обобщенной теории управления состоянием СТЭ:
1. Статистические модели СТЭ.
2. Законы функционирования СТЭ.
3. Методы управления состоянием СТЭ.
4. Методики управления состоянием СТЭ. Часть теоретических разделов обобщенной
теории управления состоянием СТЭ, такие как статистические модели СТЭ классов D, E, F, G, И,
I и J, законы функционирования СТЭ этих классов и методы управления состоянием СТЭ классов Е, Р, G, Н, I и J, разработаны в [0].
На основании предложенной классификации СТЭ, разработанного оригинального программного обеспечения по статистическому моделированию СТЭ, исследования законов функционирования СТЭ и разработанных методов управления состоянием СТЭ был разработан общий подход к созданию методик управления состоянием СТЭ, предполагающий последовательное решение следующих задач:
1. Исследование области ограничений транспортной или промышленной СТЭ и идентификация ее класса. Исследование штатной структуры СТЭ, организации технического обслуживания и ремонта и других особенностей СТЭ для уточнение ее подкласса. Постановка типовой задача по управлению состоянием СТЭ.
2. Исследование системы сбора статистических данных, осуществление сбора статистики по отказам, моделирование СТЭ класса А (необходимое условие обеспечения адекватности модели СТЭ по входу т).
3. Используя соответствующее программное обеспечение, в зависимости от поставленной задачи решают типовые задачи:
а) управление состоянием СТЭ по отображению Р(т, и) = у ;
б) управление состоянием СТЭ по отображению Щх, у) = т;
в) Разработка метода или методики оценки определяющего параметра;
г) сбор и исследование статистики по изменению определяющего параметра в процессе эксплуатации. Разработка методики прогноза определяющего параметра;
д) назначение величины упреждающего допуска и периодичности контроля определяющего параметра.
Данный подход к созданию методик управления состоянием СТЭ является общетехническим
и не зависит от функционального назначения изделий, входящих в состав СТЭ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Оптнер С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М. : Советское радио, 1969. 216 с.
2. Вопросы математической теории надежности / Под ред. Б. В. Гнеденко. М. : Радио и связь, 1983. 376 с.
3. Надежность и эффективность в технике : справочник : в 10 т. Т. 1. Методология. Организация. Терминология / Под ред. А. И. Рембезы. М. : Машиностроение, 1989. 224 с.
4. Инженерно-авиационная служба и эксплуатация авиационного оборудования / Под. ред. Е.А. Румянцева. М. : ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1970. 513 с.
5. Техническая эксплуатация авиационного оборудования : учеб. для вузов / Под ред В. Г. Воробьева. М. : Транспорт, 1990. 296 с.
6. Надежность и эффективность в технике : справочник : в 10 т. Т. 2. Математические методы в теории надежности и эффективности / Под ред. Б. В. Гнеденко. М. : Машиностроение, 1987. 280 с.
7. Кашковский В. В. Исследование законов функционирования систем технической эксплуатации. Системный подход к теории технической эксплуатации. Saarbrucken: LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2012. 303 p.
8. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до дис-сипативных структур. М. : Мир, 2002. 461 с.
9. Курс статистического моделирования / С. М. Ермаков, Г. В. Михайлов. М. : Наука. ГРФМЛ, 1976. 319 с.
