CC BY
11
УДК 533.6.05 Тихий Иван Иванович,
д. т. н., профессор, профессор кафедры механики и приборостроения, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-950-08-44-791, e-mail: mytiviv@gmail.com
Кашковский Виктор Владимирович, д. т. н., с. н. с., доцент кафедры «Информационные системы и защита информации», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-914-94-31-230, e-mail: kww542339@km.ru
Смольников Михаил Юрьевич, аспирант кафедры механики и приборостроения, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-952-62-45-039, e-mail: storm2911msmol@mail.ru
СОСТОЯНИЕ КАК ОСНОВА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ «УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ»
1.1. Tichiy, V. V. Kashkowsky, M. Yu. Smolinikov
STATE AS THE BASIS OF A CONCEPTUAL MODEL OF SCIENTIFIC FIELD «STATE MANAGEMENT OF TECHNICAL OBJECTS»
Аннотация. Показана необходимость применения методологии системного анализа к решению задачи синтеза концептуальной модели (КМ) научного направления «Управление состоянием технических объектов» (УСТО). Сформулированы условия и принципы разработки КМ предметной области. Приведена общая структура КМ. Для научного направления УСТО определены объект и предмет исследования. Показано, что объектами управления состоянием могут являться технические, организационно-технические, эргатические системы и комплексы, которые без нарушения общности и в целях проводимых исследований могут быть объединены общим термином «технические объекты». Процесс управления организуется на основе соответствующих методов управления состоянием, которые и являются общим предметом исследований в рассматриваемом научном направлении. Приведены результаты анализа истории развития концепта «состояние» в философском (общенаучном) смысле, а также в частнонаучных теориях и в практике эксплуатации сложных технических объектов. Показана связь концепта «состояние» с категориями качества и свойства, а они, в свою очередь, привязаны к объектам. Даны определения понятий «состояние объекта (предмета)» и «состояние технического объекта».
Ключевые слова: система, технический объект, состояние, управление состоянием, концептуальная модель, предмет, сущность, процесс, качество, время, параметры.
Abstract. The necessity of application of methodology of system analysis to the solution of the problem of synthesis of the conceptual model (CM) of the scientific field «State management of technical objects» (SMTO) is shown. The conditions and principles for developing a CM of the subject area are formulated. The general structure of CM is presented. For SMTO research area object and subject of research are defined. It is shown that the objects of state management can be technical, organizational-technical, ergatic systems and complexes, which without loss of generality and for purposes of ongoing research can be grouped under the general term «technical objects». Process of management is based on appropriate methods of state management, which are the common subject of research in this scientific area. The results of analysis of the history of the development of the concept «state» in philosophical (scientific) sense, but also in specific scientific theories and in practice of the operation of complex technical objects. The relation of the concept «state» to the quality and properties classes, and they, in turn, are attached to objects. The definitions of the state of the object (subject) and the state of the technical object are given.
Keywords: system, technical object, state, state management, conceptual model, object, entity, process, quality, time, options.
Введение
С целью организации эффективного использования технических объектов, комплексов и систем различного типа и назначения научные дисциплины, составляющие теоретические и практические основы разработки, производства и эксплуатации этих объектов, целесообразно рассматривать в рамках единого научного направления «Управление состоянием технических объектов». Это заключение, полученное на основе обширного опыта решения научно-практических задач в области создания, испытаний и эксплуатации авиационной техники, актуально, прежде всего, для таких дисциплин, как: «Теория надёжности», «Теория контроля» и «Техническая диагностика», «Основы испытаний», «Техническая эксплуатация», «Методы прогнозирования» и др.
Целесообразность объединения в том или ином виде указанных дисциплин в общее научное
направление показана в работах [1, 3] и диктуется необходимостью создания единой эффективной методологии управления состоянием технических объектов и систем различного типа и назначения. В свою очередь, способность технических систем выполнять функции в соответствии со своим предназначением определяется состоянием, в котором они находятся. Поэтому приведение в требуемое состояние и, тем самым, управление состоянием является важной научно-практической проблемой.
Постановка задачи
В основе формируемого научного направления должна лежать общая для всех входящих в него дисциплин концептуальная модель (англ. conceptual model), как чётко структурированная система понятий и определений, используемых в данной предметной области. Её разработка представляет существенную сложность, в первую оче-
редь из-за ограниченной возможности формализации основных понятий и, как следствие, связей между ними. Сложной является и сама исследуемая предметная область, являющаяся мульти- и междисциплинарной.
Для решения подобного рода задач эффективным является применение методов системного анализа, в частности для определения принципов формирования концептуальной модели (КМ) рассматриваемой предметной области, что и является целью настоящего исследования.
Необходимость в её разработке для научного направления «Управление состоянием технических объектов» (УСТО), как и для любого другого направления, заключается в обеспечении возможности адекватного формального описания предметов, явлений и процессов, однозначно воспринимаемых во всех объединяемых дисциплинах. Такая возможность основана только на тех понятиях, формулировка которых включает не только строго соответствующее описываемым предметам и процессам смысловое содержание, но и позволяет осуществлять переход от качественных описаний к количественным определениям и характеристикам в их логических взаимосвязях. Указанное обстоятельство наряду с логически обоснованной структурой является наиболее важным условием формирования качественной концептуальной модели рассматриваемой предметной области.
Формирование общей структуры КМ
Очевидно, что формирование концептуальной модели научного направления УСТО должно вестись на основе композиции концептуальных моделей входящих в него дисциплин. При этом необходимо учитывать два важных обстоятельства: эмерджентность научного направления как системы входящих в него дисциплин, а также недостаточную определённость отдельных концеп-
туальных моделей.
Свойство эмерджентности обусловлено появлением новых свойств системы, в частности, для формируемого научного направления - описание обобщённых систем и процессов определения состояния, выработки управляющего решения, система методов реализации этих решений и т. д.
Недостаточная определённость, а в некоторых случаях и противоречивость терминов и определений, используемых в области надёжности и технической диагностики (в том числе и установленных соответствующими стандартами), показаны и доказаны в работах многих авторов, например [4, 5].
Таким образом, учёт приведенных особенностей (принципов) предполагает формирование концептуальной модели УСТО в виде централизованной иерархической структуры, у которой на верхней ступени иерархии находится система понятий, предназначенная для описания обобщённых объектов и процессов и логической увязки в общую структуру концептуальных моделей отдельных дисциплин (КМ1). Эти модели корректируются в соответствии с общими целями исследований и помещаются на нижний уровень; при этом переходы между ними осуществляются через центральную часть общей концептуальной модели (рис. 1).
Центральную часть КМ исследуемого научного направления представляется целесообразным также организовать по иерархическому принципу. При этом в основу иерархии, в соответствии с общей методологией решения научных задач, следует положить понятия объект и предмет исследований. Определим содержание этих понятий для выбранного научного направления.
В настоящее время в технической литературе, в том числе нормативной, широко использует-
центральная часть общей КМ
нижним уровень
Рис. 1. Структура концептуальной модели научного направления УСТО
ся понятие техническое изделие, которое объединяет по структурному признаку технические объекты, системы и комплексы различного типа и назначения. Под технической системой, как и любой другой системой, понимается совокупность взаимосвязанных элементов, объединённых общими целями функционирования. Термин комплексы используется обычно для обозначения сложных систем, отличающихся количеством решаемых задач по их предназначению, разнородностью входящих в него элементов, большим числом элементов, предполагающим их объединение в отдельные подсистемы.
С точки зрения конструкции абсолютное большинство технических изделий представляют собой системы или комплексы, кроме того, они могут образовывать систему (парк) однотипных изделий, входить в состав эргатических и организационно-технических систем. Вместе с тем они и образованные на их основе системы, как объекты управления, являются элементами (подсистемами) соответствующей более сложной системы управления состоянием этих изделий и систем.
Из изложенного следует, что объектами управления состоянием могут являться технические, организационно-технические, эргатические системы и комплексы, которые без нарушения общности и в целях проводимых исследований могут быть объединены общим термином технические объекты. Тогда системы, реализующие процесс управления состоянием, будут называться системами управления состоянием технических объектов.
Использование указанных терминов позволяет избежать тавтологии вида «система управления состоянием систем», не исключает возможность рассмотрения объекта управления как системы и отражает первичность технических изделий при образовании систем различного типа.
На основе установленных терминов может быть также определён объект исследований в научном направлении УСТО, которым являются различные системы управления состоянием технических объектов.
Системы управления состоянием реализуют процесс управления с целью обеспечения эффективного применения технических объектов по назначению. Процесс управления организуется на основе соответствующих методов управления состоянием, которые и являются общим предметом исследований в рассматриваемом научном направлении.
Определение концепта состояние
Как следует из формулировок объекта и предмета исследований, ключевым понятием в
них является состояние технического объекта. Проведенный анализ различных источников показал, что в современной научно-технической литературе, включая нормативную документацию, напрямую этот термин не определён. Вместе с тем в ГОСТ 20911-89 («Техническая диагностика. Термины и определения») введено похожее понятие:
техническое состояние объекта - состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект.
При внешней схожести с исследуемым термином, оно определяет не само понятие состояние объекта, а его разновидность - техническое состояние. Кроме того, использование этого определения применительно к техническому объекту (техническое состояние технического объекта), а не к объекту вообще (как в ГОСТ), приведёт к увеличению энтропии понятия вследствие возникновения необходимости выяснения ряда дополнительных вопросов, таких как: какие и сколько других видов состояний существует для объектов, если существует техническое состояние; какое смысловое соотношение между прилагательными техническое и технического, относящимися к явлению (состояние) и предмету (объект), и др.
В связи с изложенным, для уточнения содержания понятия состояние технического объекта потребовалось обратиться к работам, посвя-щённым данной тематике, тем более что вводить, корректировать или изменять концепты следует на основе однозначности и сложившихся к этому времени представлений [6-11]. Результаты обзора и выводы по нему представим в виде отдельных тезисов.
Слово состояние в нашей речи имеет различное значение: социальное, бытовое, научное. Рассмотрим только его научное значение, которое, в свою очередь, принято разделять на философское (общенаучное) и прикладное (частнонаучное) понятие.
Состояние - важная категория:
- философской онтологии (теорий бытия и существования, пространства и времени, реляцио-низма и детерминизма, теорий статики и динамики, развития),
- гносеологии (в части познания этих же и других сущностей),
- общенаучных теорий, таких как кибернетика и информатика, а также общенаучной по смыслу темпорологии,
- частнонаучных теорий, например, классической механики, квантовой механики, информатики и др.
Проблема состояния и сам термин состояние давно представляет интерес для представителей философии и естественных наук. Впервые вопрос о понятии состояние поставил Аристотель, определив его как вид качества, которое легко поддается измерению, но отличается от свойств вещества. Галилей приходит к заключению, что движение есть атрибутивное свойство существования любого вещества, а состояние есть мера этого существования. Ньютон пошел дальше, рассматривая движение и покой проявлением существования вещества, при этом под состоянием объекта им понимался момент проявления существования объекта.
В период натурфилософского представления картины мира в работах Лейбница, а затем Лапласа состояние начинает пониматься не только как атрибутика отдельного объекта, но и как взаимосвязь и взаимодействие явлений мира.
В ХХ веке актуализация философско-методологических исследований концепта состояние была вызвана активными процессами формирования основ квантовой механики и исследованиями так называемых «элементарных» частиц, а также вопросов теории информации и кибернетики.
В нашей философской литературе феномен и понятие состояние, а также связи состояний активно исследовалось в философско-методологическом ключе в 60-80-е гг. ХХ века в работах прежде всего Г.А. Свечникова, а затем Н.П. Васильева, В.И. Демидова, В.И. Кемкина, А.Х. Левина, Б.Я. Пахомова, О.С. Разумовского, А.Л. Симанова, В.П. Старжинского, О.А. Дунец, Г.Я. Мякишева и др.
По современным представлениям, понятие состояние - чрезвычайно общая абстракция, отражающая количественно-качественные формы реализации бытия, существования объектов любой природы, наличной и приобретенной ими специфики и определенности (меры) их сущностных, основных свойств и качеств, как внутренних, так и внешних (О.С. Разумовский).
Содержание понятия состояние имеет свою специфику. Его нельзя приравнивать по семантике к категории качества. Это, скорее, форма проявления качественной определенности, так как в его описание обычно не включают описание структуры объекта, характера элементов, абсолютно всех его свойств.
Таким образом, это ограниченное по объему понятие, в него входят только основные общие и
специфицирующие параметры объекта - сущностные характеристики. Понятие же качества фактически требует его потенциально неограниченного описания.
Понятие состояние связано с категориями качества и свойства, а они, в свою очередь, привязаны к объектам. Поэтому, по крайней мере в частнонаучных теориях, понятие состояние должно обязательно соотноситься с конкретным предметом (объектом). (Ранее в ГОСТ 19919-74 был определён термин «техническое состояние» без связи с объектом).
Опираясь на категорию состояние, выражают через значения переменных характеристик процессы изменения и развития вещей и явлений, ведущие в итоге к изменению свойств и отношений. С помощью понятия состояние выражают не только последовательность состояний во времени, но и их сосуществование в пространстве и времени. И если в статике категория состояние дает интегральное описание главных сущностных параметров объектов в данный момент времени, то в рамках длящегося существования и/или качества объекта в целом, а также его частей и аспектов они выражают изменения, процессуальность, эволюцию и т. п. характеристики. Это выражается как последовательная цепь состояний в виде З!, 52, Sз, ... Sk,..., 5п-1, 5п.
Применительно к рассматриваемой в данной статье предметной области можно сделать вывод о том, что применение терминов типа «состояние процесса технической эксплуатации» является некорректным. Скорее всего, следует говорить о последовательном изменении состояния системы технической эксплуатации, реализующей процесс управления состоянием объекта.
Состояние объекта, так же как и его свойства, определяющие это состояние, может изменяться как во времени, так и в пространстве. Примером этому может служить состояние атмосферы, которое изменяется с подъёмом на высоту, а также в течение дня, месяца, года.
Анализ приведенных тезисов позволяет прийти к следующим достаточно определённым основным выводам:
- так как понятие состояние в общем случае соотносится с предметом (объектом), процессом и явлением, для технического объекта оно сводится до концепта состояние предмета (объекта);
- применительно к предмету (объекту) уточним общие понятия: сущность - основное отличительное, специфицирующее свойство; свойство -атрибут предмета, сторона его качества; параметр - количественная характеристика свойства;
- обще- и частнонаучные категории состояние связаны и определяются категориями качества и количества и в отличие от них являются более узкими понятиями;
- состояние объекта отражает его сущность, и конкретизация понятия может осуществляться путём перехода от философского к частно-научному определению через сущностные свойства конкретного объекта;
- состояние объекта (в соответствии с предыдущим положением) характеризуется значениями параметров сущностных свойств, определёнными в пространстве и времени.
Эти выводы составляют принципы формирования концепта состояние объекта в частнонауч-ном смысле и представлены на рис. 2. в виде модели связей категорий в рассматриваемой предметной области.
На основе полученных в данном исследовании результатов и принятых трактовок общенаучных терминов понятие состояние объекта (предмета) может быть сформулировано следующим образом:
Состояние объекта (предмета) - форма проявления качественной определённости объекта (предмета), характеризуемая параметрами его сущностных свойств, реализуемых во времени и пространстве.
Определение универсально в частнонаучном смысле и может быть использовано в различных областях знаний. Его можно уточнять по сущностным свойствам исследуемого объекта.
Для технических объектов общим специфицирующим является комплекс взаимосвязанных свойств: функциональность, надёжность, безопасность, экономичность, экологичность. (Здесь под функциональностью понимается число и вид
выполняемых функций в соответствии с предназначением технического объекта; надёжность трактуется в соответствии с ГОСТ 27.002-89, а остальные свойства - в общепринятом смысле). Разделение всего комплекса сущностных свойств технических объектов на частные свойства в настоящее время достаточно условно и является задачей отдельного исследования.
Вывод
Таким образом, термин состояние технического объекта может быть определён как:
форма проявления его качественной определённости, характеризуемая параметрами функциональности, надёжности, безопасности, экономичности и экологичности, определёнными во времени и пространстве;
или как:
форма проявления его качественной определённости, характеризуемая степенью соответствия комплекса параметров функциональности, надёжности, безопасности, экономичности и экологичности, определённых во времени и пространстве, заданным нормативным требованиям.
Обе представленные формулировки имеют право на существование, однако последняя из них является более адаптированной к решению задач управления состоянием, так как не только отражает смысловое содержание понятия, но и намечает способ оценивания этого состояния.
Таким образом, полученные в данном исследовании результаты являются основой развития концептуальной модели научного направления «Управление состоянием технических объектов» и могут быть использованы для классификации видов состояний технических объектов.
Качество
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Тихий И.И. Методологическая модель процесса определения состояния сложных объектов // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте : сб. науч. тр. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2013. Вып. № 23. С. 128-134.
2. Тихий И.И. Мухопад Ю.Ф., Кашковский В.В. Системный подход к проблеме повышения эффективности процессов определения состояния сложных объектов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 1(33). С. 107-115.
3. Тихий И.И. Методология оценки состояния технических объектов на основе статистической обработки информации // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте : сб. науч. тр. Вып. № 16. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009. С. 78-85.
4. Аракелян В.Г. Цели, понятия и общие принципы диагностического контроля высоковольтного электротехнического оборудования // Электротехника. 2002. № 5. С. 23-27.
5. Григорьев А.В., Осотов В.Н. О неоднозначности понимания и употребления терминов технической диагностики // Энергосистема: управление, качество, безопасность : сб. тр. науч.-техн. конф. Екатеринбург, 2001. С. 385-388.
6. Демидов В.И. Категория «состояние» в истории и марксистской философии. Саранск, 1975.
7. Свечников Г.А. Причинность и связь состояний в физике. М., 1971.
8. Симанов А.Л. Понятие «состояния» как философская категория / под ред. О.С. Разумовского. Новосибирск, 1982.
9. Кемкин В.Н. Категория «состояние» в научном познании. М., 1983.
10. Разумовский О.С. Вариационные принципы как способ выражения связи состояний в физике // Современный детерминизм и наука. Т. 1. Новосибирск, 1975. С. 293-319.
11. Капитон В.П. Понятие «состояние квантовой системы» и категории «сущность» и «явление» // Философские вопросы естествознания. Днепропетровск, 1971. С. 3-24.
УДК 66.021 Церковский Александр Александрович,
аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-983-245-18-75, e-mail: cerkovskiy_aa@mail.ru МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА
A. A. Tserkovskiy
MATHEMATICAL MODELING OF PROCESS OF PRODUCTION OF POLYETHYLENETEREPHTHALATE
Аннотация. Объектом исследования являются каскад переэтерификации и колонна отгона метанола c реакторами поликонденсации. Целью работы является определение оптимального режима работы технологического процесса переэтерификации и поликонденсации при помощи разработки и исследования математической модели процесса поликонденсации на заводе органического синтеза открытого акционерного общества «Могилевхимволокно».
В результате исследований была выбрана система химических реакций, разработаны и исследованы математические модели основных стадий и аппаратов указанной технологической линии, составлены алгоритмы расчетов показателей аппаратов.
Определение оптимального распределения температур реакторов и расчет полученных технологических параметров показывают, что существует возможность уменьшения количества исходного сырья этиленгликоля на 1,4 % и количества тепловой энергии, которая потребляется для изготовления полимера, на 11,3 % без ухудшения качества конечного полимера.
Ключевые слова: математическое моделирование, переэтерификация, поликонденсация, алгоритм.
Abstract. Stage transesterification and methanol distillation column with reactors of polycondensation are the object of the research. The object of the article is definition of an optimum operating mode of technological process of a transesterifikation and polycondensation by means of development and research of mathematical model of process of polycondensation at the plant of organic synthesis of open joint stock company «Mogilevkhimvolokno».
As a result of the research the system of chemical reactions has been selected, mathematical models of the basic steps and apparatus of the production lines have been developed and investigated, the algorithms of devices performance calculations have been made.
Definition of optimum distribution of temperatures of reactors and calculation of the obtained technological parameters show that there is a possibility of reduction of quantity of initial raw materials of ethylene glycol for 1,4 % and quantities of thermal energy, which is consumed for polymer production, for 11,3% without quality degradation of final polymer.
Keywords: mathematical modeling, transesterification, polycondensation, algorithm.
Введение
Как в России, так и в Беларуси и в Украине тара из полиэтилентерефталата (ПЭТ) в области розлива воды и безалкогольных напитков занимает главенствующее положение. Также ПЭТ активно вытесняет традиционные виды тары в пивной и пищевой отраслях, рыночная доля этого вида с каждым годом все растет. ПЭТ как таковой широ-
ко используется в странах СНГ не только для производства разнообразнейшей упаковки для продуктов и напитков, но и для изготовления тары для косметики, фармацевтических средств, различных хозяйственных и бытовых изделий. Что касается общей потребности стран СНГ в сугубо пищевом полиэтилентерефталате, то еще несколь-
