CC BY
67
УДК 621.313.3
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
В ГОРНОДОБЫВАЮЩЕМ КОМПЛЕКСЕ
В.В. Гусев, О.П. Муравлев, В.П. Шевчук
Томский политехнический университет E-mail: vvgus@rambler.ru
Представлена методология, позволяющая оценить и обеспечить эффективность функционирования электрических машин с точки зрения системного анализа. Произведено дезагрегирование цели на составные элементы, которые отражены в виде дерева целей, что позволяет изучить структуру обеспечения эффективности эксплуатации и обслуживания электрических машин. На основе экспертной оценки определены коэффициенты относительной важности компонентов дерева целей. Методология может быть использована для выявления и структуризации проблем, связанных с эксплуатацией и обслуживанием электрических машин.
Ключевые слова:
Системный анализ, дерево целей, коэффициент относительной важности, экспертная оценка.
Основной концепцией обеспечения надежности электрических машин (ЭМ) на современном этапе эксплуатации является системность. Системы обеспечения надежности охватывают весь жизненный цикл эксплуатационного режима: организация технического обслуживания (ТО), ремонт, хранение, эксплуатация. При этом методы обеспечения надежности ЭМ специфичны для каждого этапа. Для систем характерно большое количество компонентов, упорядоченная структура, наличие материальных, энергетических и информационных связей, определенная целостность, многосвя-зность системы по этим показателям и условиям работы, иерархическая структура. Выбор приоритетных компонентов, их характеристик с учетом всех обстоятельств, возникающих при диагностике, мониторинге, эксплуатации, ТО и ремонте ЭМ подчинен требованию обеспечения эффективности функционирования ЭМ. Поскольку данные аспекты характеризуются многими переплетающимися отношениями, то использование системного анализа (СА) позволит определить весь комплекс мероприятий, необходимых для достижения целей и выявления проблемных ситуаций, требующих первоочередного внимания и концентрации ресурсов [1-5].
Рассматривая данную ситуацию на примере горно-добывающего комплекса в алмазодобывающей отрасли, определим исходные позиции и критерии, являющиеся принципиальным подходом в обеспечении эффективности функционирования ЭМ.
Одним из основных положений СА в структуре алмазодобывающей отрасли является принцип первичности функции системы технологического процесса по отношению к системе обеспечения эффективности функционирования ЭМ. В соответствии с этим принципом структура дерева целей подчиняется основным функциям производственного процесса, которые определяются исходя из целей деятельности алмазодобывающей отрасли. Исходным моментом определения структуры дол-
жна быть функция сохранения во времени в установленных пределах значения всех параметров ЭМ, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
С точки зрения СА, проблема - есть разница между существующей и желаемой системой. Исходя из этого, основной реальной проблемой, имеющей место в горнодобывающем комплексе, является координация концептуальных принципов оценки качественных показателей ЭМ, отражающих эксплуатационную надежность в отношении взаимодействия системы технической диагностики и эксплуатационной надежности. Координирование данных принципов означает такое воздействие на подсистемы, которое заставляет действовать согласованно. Координация, как функция управления, представляет собой процесс, направленный на обеспечение пропорциональности и гармоничного развития совокупности различных сторон объекта при оптимальных затратах. В общем случае координация осуществляется в связи с определенной целью.
В аспекте данной проблемы целью СА является повышение эффективности эксплуатации и обслуживания ЭМ. Данная формулировка является обобщенным содержанием представленной цели, но степень ее достижения сложно измерить. Если же несколько по-иному выразить конечный результат, введя ряд подцелей, измеряемых количественно, то данная цель является достижимой. В частности, в отношении алмазодобывающих предприятий уровнями достижения цели является степень использования и применения систем технического диагностирования, эксплуатации и расчета эксплуатационной надежности ЭМ. Введенные подцели могут быть качественно и количественно охарактеризованы критериями, которые позволяют измерить степень достижения цели по повышению эффективности эксплуатации и обслуживания ЭМ.
Следующим этапом является определение и детализация составных элементов целей и путей их достижения, выявление существующих между ними взаимосвязей и определенной логики решения возникающей проблемы. Возможным ее решением является структуризация цели, основанной на дезагрегировании (поэтапном расчленении) исследуемой проблемы на составные элементы с последующей возможной количественной оценкой их относительной важности. Для выявления полного набора элементов каждого уровня вначале построим дерево с прямыми связями, а затем перейдем к обобщенной структуре с перекрестными связями.
На рисунке представлено в общем виде дерево целей, позволяющее обеспечить достижение цели. На первом уровне дерева целей произведено раскрытие содержания главной цели, для чего она структурирована на отдельные компоненты по принципу охвата направлений, которые определяют эффективность эксплуатации и обслуживания ЭМ.
На втором уровне происходит дальнейшая конкретизация понятия главной цели на основе принципа охвата всех направлений действия подцелей, выявленных на первом уровне.
Далее, на третьем уровне используется предметный принцип структуризации. Такая степень детализации дает возможность на последнем уровне дерева целей представить конкретные значения отдельных нормативных показателей, характеризующих требуемый уровень достижения поставленной цели:
А31 - соблюдение эксплуатационных режимов; А32 - энергосберегающие мероприятия; А33 - модернизация оборудования; А34 - ТО при использовании; А35 - ТО на хранение; А36 - периодическое ТО; А37 - сезонное ТО; А38 - регламентированное ТО; А39 - ТО с периодическим контролем; А310 -плановое ТО; А311 - неплановое ТО; А312 - капитальный ремонт; А313 - средний ремонт; А314 - текущий ремонт; А315 - регламентированный ремонт; А316 -неплановый ремонт; А317 - ремонт по техническому состоянию; А318 - ТО и ремонт эксплуатационным персоналом; А319 - ТО и ремонт специализированным персоналом; А320 - фирменный метод ТО и ремонт; А321 - средства и сооружения, предназначенные для выполнения ТО и ремонт; А322 - комплект запасных инструментов и принадлежностей; А323 -квалифицированный персонал; А324 - нормативнотехническая документация; А325 - информационные данные по ремонту и эксплуатации ЭМ;
В31 - организация локальной и централизованной информационной базы данных; В32 - квалификационный персонал; В33 - методы диагностирования; В34 - алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния); В35 -средства сбора и обработки информации; В36 - тестовое диагностирование; В37 - рабочее диагностирование; В38 - экспресс-диагностирование; В39 -определение с заданной вероятностью интервала времени (ресурса), в течение которого сохранится работоспособное состояние; В310 - определение вероятности сохранения работоспособного (исправного) состояния объекта на заданный интервал времени;
Уровень общей цели
1-й уровень конкретизированн ой цели
Повышение эффективности эксплуатации и обслуживания электрических машин
• • — • * — • • • • — • • — • •
д| Система эксплуатации _1 Система технического в 1 диагностирования С1 Система расчета эксплуатационной 1 надежности
3-й уровень конкретизированных
Рисунок. Дерево целей по обеспечению эффективности эксплуатации и обслуживания электрических машин
С3! - формирование номенклатуры и количественных значений показателей надежности для модели эксплуатации; С32 - определение модели эксплуатации (хранение, транспортирование, ожидание применения по назначению, применение по назначению, ТО, плановый ремонт) с указанием их продолжительности; С33 - определение критерия повреждений для модели эксплуатации (критериями повреждений являются проявления, свидетельствующие о наступлении или предпосылках наступления неработоспособного состояния: шум; стук в механических частях ЭМ; вибрация; перегрев обмотки статора или ротора, подшипникового узла; неравномерный воздушный зазор; старение смазки изоляции; разбалансировка ротора; увлажнение изоляции обмотки; непостоянная частота вращения); С34 - определение критерия предельных состояний ЭМ (критериями предельных состояний является отказ одной или нескольких составных частей, восстановление или замена которых на месте эксплуатации не предусмотрена эксплуатационной документацией: витковое, межфазное корпусное замыкание; обрыв цепи в фазе; обрыв стержней обмотки ротора; выход из строя подшипникового узла; заклинивание ротора о статор; повреждение вентилятора; поломка вала; нарушение взрывозащитных зазоров; повреждение деталей, лап); С35 - методы контроля соответствия ЭМ заданным требованиям по надежности; С36 - требования к способам обеспечения эксплуатационной надежности; С37 - информация по данным учета, проводимого эксплуатационными и ремонтными предприятиями; С38 - информация по данным результатов наблюдений за ЭМ в эксплуатации; С39 -классификация первичной информации по принятым признакам (условиям эксплуатации, наработка, виду отказавших составных частей и т. п.); С310 -контроль полноты, достоверности и однородности информации; С311 - перевод исходной информации на ЭВМ; С312 - классификация причин отказов и предельных состояний и их анализ; С313 - разработка мероприятий, направленных на выявление недостатков и повышение надежности ЭМ в эксплуатации; С314 - параметрический метод оценки показателей надежности; С315 - непараметрический метод оценки показателей надежности.
Обеспечения эксплуатационной надежности должны задаваться с учетом требований, изложенных в [6].
Для расчета эксплуатационной надежности ЭМ применяют следующие методики:
• типовые, основанные на классических методах оценки, характеризуемые однородностью и полнотой информации;
• оригинальные, эксплуатационная информация которых определена неоднородностью и неопределенностью, что отражается на объеме статистических данных об отказах и наработках. Данные методики представляют в виде цензурированных выборок [7-10].
Построение дерева целей заканчивается дальнейшей конкретизацией на его четвертом уровне подцелей третьего уровня, где указываются показатели, позволяющие оценить мероприятия и ресурсы в реализации поставленной цели. Общее количество задаваемых показателей для ЭМ возможно представить минимальным числом, но они должны характеризовать эффективность функционирования ЭМ. В то же время все показатели должны иметь однозначное толкование, и для каждой модели эксплуатации должны существовать методы контроля (оценки).
В отношении сбора информации о надежности следует руководствоваться периодичностью технического диагностирования, определяемой техническим состоянием ЭМ и регистрируемых данных, что должно обеспечивать исключение потерь информации с заданной вероятностью. В процессе анализа причин отказов и предельных состояний производят систематизацию первичной информации по принятым признакам (условиям эксплуатации, наработке, виду отказавших составных частей и т. п.), выявление составных частей, лимитирующих надежность ЭМ, установление причин отказов, выявление и классифицирование причин и продолжительности простоев ЭМ, выявление случаев нарушения требований ведения эксплуатационной документации [11].
Представленная детализация элементов системы необходима для того, чтобы учесть события, которые подвержены влиянию большого количества внешних и внутренних факторов. Необходимо подчеркнуть, что каждый элемент дерева целей взаимосвязан с каждым вышестоящим и нижележащим уровнем. Данная взаимозависимость была выполнена на основании следующей точки зрения: между уровнями и элементами древовидной иерархической структуры существуют более сложные взаимосвязи, чем может быть отражено в графическом изображении дерева целей. Если даже между элементами одного уровня иерархии нет явных связей, то они все равно взаимосвязаны через вышестоящий уровень. Кроме этого, последующая оценка иерархической структуры методом парных сравнений элементов позволит выявить коэффициент относительной важности (КОВ) элементов дерева целей. Таким образом, представленное дерево целей в виде упорядоченной иерархии помогает лучше понять возможность достижения поставленной цели и ее целостность.
Оценка иерархической структуры дерева целей связана со многими условиями, которые являются многокритериальными. Решением данного вопроса является использование метода анализа иерархии, который объединяет аналитический подход, опирающийся на алгебраическую теорию матриц с экспертными процедурами. Суть данного метода можно описать следующим образом. Допустим, заданы элементы третьего уровня иерархии и один элемент второго уровня. Количественные сужде-
ния (геометрически среднее или медианное значение), отражающие достигнутое при сравнении согласие во мнениях, заносятся в матрицу парных сравнений размером пхп относительно этой цели.
и ] = 1,2,
А = (а.),
Элементы суждений ац определены по следующим правилам. Если а=а, то а=1/а, а^0. Если суждения таковы, что X имеет одинаковую с Х1 относительную важность, то а=1, а,=1.
Следующей процедурой является определение собственного вектора с наибольшим значением Аша, представляющее максимальное или главное собственное значение. Собственный вектор обеспечивает упорядочение КОВ, а собственное значение является мерой согласованности суждений или же пропорциональности предпочтений. Чем ближе К, к п (числу объектов или видов действия в матрице), тем более согласован результат. Отклонение от согласованности может быть выражено величиной (Атах-п)/(п-1), являющейся индексом согласованности (ИС). В общем случае, если это число <0,1, результат является удовлетворительным [12].
В ходе проведения экспертной оценки центральным вопросом анализа иерархической структуры дерева целей являлся следующий: насколько сильно влияют отдельные факторы самого низкого уровня иерархии на вершину - общую цель: повышение эффективности эксплуатации и обслуживания ЭМ. В ходе конкретизации каждого уровня дерева целей неравномерность влияния по всем факторам позволила выявить интенсивность влияния приоритетов или же КОВ.
Уровень общей цели иерархической структуры имеет цель, связанную с повышением эффективности эксплуатации и обслуживания ЭМ. Значение его приоритета полагается равным единице. Первый уровень иерархии представлен конкретизированными целями по системам: А11 - эксплуатации; В11 - технического диагностирования; С11 -расчета эксплуатационной надежности. Приоритеты этих целей получаются из матрицы сравнений относительно цели общего уровня. В табл. 1 представлена матрица парных сравнений относительно общей цели.
Таблица 1. Парная оценка конкретизированных целей 1-го уровня
Компоненты А11 В11 С11 КОВ, отн.ед. Атах ИС
А11 1 1/5 1/3 0,106 3,033 0,01
В11 5 1 3 0,633
С11 3 1/3 1 0,260
Вектор приоритетов, полученный из первой матрицы парных сравнений, представим в виде вектора-столбца:
" 0,106"
0,633 0,260
Так как приоритет общего уровня иерархии дерева целей равен 1, то взвешенные величины по следующему уровню равны полученному выше вектору ю1, умноженному на 1, что дает тот же самый вектор.
Следующим шагом является вычисление относительного ранга каждого направления второго уровня подцелей. Задача заключается в определении влияния этих подцелей и их взаимодействия относительно каждой системы первого уровня. Ниже приведена одна из матриц компонентов 2-го уровня подцелей (обозначение компонентов представлено в соответствии с рисунком).
Таблица 2. Сравнение компонентов 2-го уровня подцелей относительно уровня конкретизированных целей
Система эксплуатации
Компо- ненты А21 А22 А23 А24 В21 В22 В23 С21 С22 С23 КОВ, отн.ед.
А21 1 1 5 1 5 1/3 1/5 5 7 7 0,143
а22 1 1 5 7 3 1/3 1 4 8 3 0,174
А23 1/5 1/5 1 1/7 4 1/4 1/3 1 7 1/3 0,051
А24 1 1/7 7 1 5 3 3 5 4 1 0,168
В21 1/5 1/3 1/4 1/5 1 1/3 1/4 4 1 1/3 0,036
В22 3 3 4 1/3 3 1 1 3 5 3 0,156
В23 5 1 3 1/3 4 1 1 5 7 1 0,145
С21 1/5 1/4 1 1/5 1/4 1/3 1/5 1 1/3 1/3 0,024
С22 1/7 1/8 1/7 1/4 1 1/5 1/7 3 1 1/5 0,026
С23 1/7 1/3 3 1 3 1/3 1 3 5 1 0,078
Ках
10,831
ИС
0,09
Как и ранее, векторы приоритетов получают для каждой матрицы. Они, соответственно, являются столбцами следующей матрицы. Эта матрица умножается справа на вектор ю1, чтобы взвесить вектор приоритетов, измеряющих каждое воздействие компонент соответствующей конкретизированной цели, что позволяет получить общий вектор о2 приоритетов 2-го уровня цели иерархической структуры. Коэффициенты относительной важности, характеризующие повышение эффективности эксплуатации и обслуживания ЭМ через промежуточные конкретизированные цели второго уровня, представлены в табл. 3.
Таблица 3. Коэффициенты относительной важности компонентов 2-го уровня
Компоненты 2-го уровня дерева целей КОВ, отн.ед. %
А21 - технология эксплуатации 0,043 4
А22 - стратегии ТО и ремонта 0,055 4
А23 - принципы управления организацией ремонта 0,046 2
А24 - ресурсы ТО и ремонта 0,088 4
В21 - ресурсы технического диагностирования 0,198 19
В22 - диагностическое обслуживание и контроль функционирования 0,077 14
В23 - оценка и прогнозирование технического состояния 0,116 12
С21 - задание требований по надежности 0,118 14
С22 - сбор и обработка информации 0,145 9
С23 - методы оценки показателей надежности 0,114 18
Итого 1,000 100
Далее определяются приоритеты конкретизированных значений относительно каждой подцели второго уровня и затем взвешиваются вектором приоритетов второго уровня, что позволяет получить искомый вектор приоритетов дерева цели.
Из всего выше сказанного следует, что использование принципов СА позволило представить обеспечение эффективности функционирования ЭМ в горнодобывающем комплексе как методологию. И поскольку эта система является универсальной, то возможно ее применение в других отраслях промышленности. Сформированное дерево целей позволяет изучить структуру обеспечения эффективности эксплуатации и обслуживания ЭМ. В случае нарушения полноты системы будут нарушены принципы системно-концептуального подхода. Построенное дерево целей определяет систему требуемых (нормативных) значений показателей, необходимых для достижения поставленной
цели. Исследование методом экспертных оценок показало, что комплекс мероприятий по обеспечению эффективности функционирования ЭМ представляется как интегративный объект, связанный со своими компонентами отношениями приоритетов относительной важности и взаимовлияния. Эти отношения налагают на выбор компонентов специфические обязательства, т. к. выбор компонентов должен производиться для повышения эффективности функционирования ЭМ. Такой подход отражает в полной мере концепцию СА. Практическая ценность СА заключается в том, что он вооружает лиц, принимающих решения, формализованным инструментарием соизмерения различных целей иерархической древовидной структуры. В условиях субъективности сопоставления вариантов управленческих решений СА определяет более строгие логические рамки обеспечения эффективности функционирования ЭМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антонов А.В. Системный анализ. - М.: Высшая школа, 2006. -454 с.
2. Варжапетян А.Г, Глущенко В.В., Глущенко П.В. Системность процессов создания и диагностики технических структур. -СПб.: Политехника, 2004. - 186 с.
3. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа. - Томск: Изд-во НТЛ, 2001. - 396 с.
4. Голубков Е.П. Использование системного анализа в принятии плановых решений. - М.: Экономика, 1982. - 160 с.
5. Оптнер С.Л. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. - М.: Советское радио, 1969. - 216 с.
6. ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности. - Введ. 1992-01-01. -М.: Гос. комитет СССР по стандартам: Изд-во стандартов, 2002. - 23 с.
7. Муравлев О.П., Шевчук В.П., Гусев В.В. Информационное обеспечение для оценки надежности электрических машин // Электроэнергия: от получения и распределения до эффектив-
ного использования: Матер. Всеросс. научно-техн. конф. -12-14 мая 2008. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 166-168.
8. Скрипник В.М., Назин А.Е., Приходько Ю.Г., Благовещенский Ю.Н. Анализ надежности технических систем по цензурированным выборкам. - М.: Радио и связь, 1988. - 184 с.
9. Агапов А.С. Опыт применения некоторых методов статистической оценки надежности промышленных изделий. - Л.: ЛДНТП, 1977. - 28 с.
10. Кузьмин Р.В., Гром В.П. Расчет надежности судового оборудования по малым выборкам. - Л.: Судостроение, 1976. - 96 с.
11. РД 50-204-87. Надежность в технике. Сбор и обработка информации о надежности изделий в эксплуатации. - Введ. 1988-0701. - М.: Гос. комитет СССР по стандартам: Изд-во стандартов, 1987. - 12 с.
12. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархии. - М.: Радио и связь, 1993. - 320 с.
Поступила 22.04.2009г.
