СУБЪЕКТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ -

И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ВЕСТНИК ТСГУ. 2023. № 1 (68)

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 681.518.5 В. В. Воронин

СУБЪЕКТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Воронин В. В. - д-р техн. наук, профессор кафедры «Автоматика и системотехника» ТСГУ (Хабаровск), e-mail: [email protected].

При разработке концептуальной модели для диагностической экспертной системы часто не учитываются особенности коллектива специалистов, принимающих участие в процессе эксплуатации технических объектов. Сснов-ная задача данной работы исследовать и учесть некоторые из этих особенностей. В рамках данной задачи, во-первых, проведена систематизация субъектов эксплуатационной деятельности, с выделением субъектов основной и обеспечивающей деятельности, в состав последнего включен субъект диагностической деятельности. Во-вторых, выполнена формализации ряда элементов в отношении ошибок первого и второго родов для задач контроля технического состояния и поиска дефектов. В-третьих, предложен начальный фрагмент схемы концептуальной диагностической модели в фреймовом формате, включающий в себя субъектов эксплуатационной деятельности.

Ключевые слова: эксплуатационная надежность, система технического обслуживания, субъекты эксплуатационной деятельности, диагностические задачи, ошибки первого и второго рода, концептуальная диагностическая модель.

Введение

В самом общем случае технический объект по своей сущности имеют фиксированное функциональное назначение, заложенное в них на этапах проектирования и производства. Это назначение осуществляется в результате эксплуатационной деятельности, в рамках которой, кроме данного объекта, всегда подразумевается наличие различных субъектов эксплуатационной деятельности. Данные субъекты в своей деятельности всё чаще используют интеллектуальные инструментальные средства. В частности, специалисты по технической диагностике применяют диагностические экспертные системы.

В большинстве диагностических экспертных систем недостаточно полно отражается в их концептуальной модели зависимость эффективности диагностических процедур от особенностей субъектов эксплуатационной деятельности. Основная задача данной работы исследовать и учесть в концептуальной

© Воронин В. В., 2023

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)

модели такую зависимость, а также выполнить формализацию ряда элементов в отношении ошибок первого и второго родов при принятии решений. Систематизация субъектов эксплуатационной деятельности

Понятие «субъект эксплуатационной деятельности» в отношении эксплуатационной надежности технического объекта является многогранным. Поясним смысл данного утверждения относительно двух крайних ситуаций.

Первая, тривиальный случай - это необслуживаемый объект в пределах всего эксплуатационного цикла - [Хо, Хс], где Хо и Хс, соответственно, момент начала использования объекта по назначению и момент его списания. У такого объекта либо гарантированно невозможны отказы в пределах [Хо, Хс] (деграда-ционные процессы в данных условиях не проявляются), либо любой отказ объекта влечет за собой его полную замену (например, замена автономного прибора сигнализации). Однако, кто и как фиксирует наличие отказа?

Вторая, противоположная ситуация - это вынужденно обслуживаемый объект, деградационные процессы и нештатные события в котором необходимо учитывать. Для такого объекта выстраивают систему обеспечения его надежности, включающую в себя на отрезке [Хо, Хс] в качестве основной части систему технического обслуживания (СТО). Последняя традиционно разбивается на встроенные в объект подсистемы (например, подсистемы защиты), и внешние подсистемы (например, подсистемы функционального или тестового диагностирования, ремонтно-восстановительную подсистему и др.).

В первой ситуации субъект эксплуатационной деятельности в общем случае - это коллектив специалистов организующий (управление) и реализующий (операторы) процесс использования данного технического объекта по назначению. Вторая ситуация по отношению к первой характеризуется тем, что вышеуказанный коллектив специалистов требуется расширить, включив в его состав специалистов, обеспечивающих техническое сопровождение объекта эксплуатационной деятельности. Это расширение также подразумевает организующую и операционную составляющие.

Иерархия субъектов эксплуатационной деятельности, учитывающая обе выше рассмотренные ситуации, иллюстрируется на рис. 1.

Каждому блоку на рис. 1 соответствует свой вид субъекта деятельности, а именно: субъект эксплуатационной деятельности, субъекты основной и обеспечивающей деятельности и далее по иерархии. Субъекты основной и обеспечивающей деятельности в отношении их функциональности делятся на управляющие и операционные подвиды. В данной работе акцент сделан на обеспечивающем операционном подвиде, который включает субъекта диагностической деятельности (СДД) и субъекта по техническому обслуживанию и ремонту (СТОР). В рамках своих компетенций СДД решает две основные диагностические задачи: контроль технического состояния (ТС) и поиск дефектов. Как правило, каждая из этих задач на практике реализуются специально подготовленным отдельным СДД.

СУБЪЕКТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬ- -

НОСТИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИ- ВЕСТНИК ТОГУ. 2)23. № 1 (68)

ЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Эффективность обеспечения эксплуатационной надежности данной технической системы зависит от взаимоотношений всех субъектов эксплуатационной деятельности, и этот факт должен отражаться концептуальной диагностической модели.

Рис. 1. Иерархия субъектов эксплуатационной деятельности

Кроме того, каждый отдельный субъект, принимая технологические решения, может ошибаться. Известна и широко используется технология формализации ошибок - это методы статистических решений, в рамках которых субъект эксплуатационной деятельности может ошибаться в форме ошибок первого и второго родов [1].

Элементы формализация ошибок первого и второго родов

Техническое состояние объекта диагностирования (ОД) определяется его диагностическими показателями. В технологии решения диагностических задач эти показатели составляют основу решающего правила, в результате применения которого формулируется диагноз.

Одним из перспективных направлений построения решающих правил считается технология, использующая методы статистических решений [1] (минимального риска, минимального числа ошибочных решений, наибольшего правдоподобия, минимакса, Неймана-Пирсона). Эта технология позволяет построить бинарное (дихотомное, альтернативное) решающее правило исходя из условий оптимальности (например, из условия минимизация ошибки первого рода при заданном уровне ошибки второго рода или наоборот).

Для задачи контроля ТС данная технология является естественной - решающее правило обеспечивает выбор одного из двух возможных вариантов: «Нормальное ТС» или «Ненормальное ТС». Одна из форм построения решающего правила - это продукционная форма. Продукционное правило в диагностических приложениях имеет следующий общий вид.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)

Если Я1=Щ, то В/ ,

(1)

где - результат 7-й диагностической проверки, Ну -/-е возможное эталонное значение результата 7-й проверки; В/ - диагностическое заключение для /-го эталонного значения.

В простейшем частном случае (техническое состояние ОД контролируется отношением 5>а, где 5 - текущая величина определенного диагностического показателя, а - заданная верхняя граница этого показателя) продукционное правило (1) преобразуется к продукционной паре следующего вида.

Если 5 > а, то Во ,

Если 5 < а, то Вг , (2)

где Во - отрицательный диагноз («Ненормальное ТС»), Вг - положительный диагноз («Нормальное ТС»).

В рамках простейшего случая (2) уже можно охарактеризовать принципиальную диагностическую проблему - неизбежность ошибочных решений. Суть проблемы состоит в выборе пороговой величины а диагностического показателя 5, который характеризует техническое состояние ОД.

В реальной практике области «Нормальное ТС» и «Ненормальное ТС» пересекаются по разным причинам (например, погрешности измерений), и поэтому принципиально невозможно выбрать пороговое значение а, при котором не было бы ошибочных решений. Методы статистических решений позволяют выбрать в некотором смысле оптимальное значение а, например, такое, которое давало бы наименьшее число ошибочных диагнозов.

В задаче контроля технического состояния возможны два вида ошибочных диагнозов: ложная тревога или ошибка первого рода - исправный ОД считается неисправным, и пропуск дефекта или ошибка второго рода - ОД, имеющий дефект, считается исправным. Формализуем в табличной форме последнее утверждение. В соответствие с решающим правилом (2) возможны четыре диагностических ситуации, а именно: ДС(1,1) - правильный диагноз, текущее нормальное техническое состояние признаётся таковым (диагноз Вг); ДС(1,0) - текущее нормальное техническое состояние считается ненормальным (диагноз В0) - это ошибка первого рода; ДС(0,1) - текущее ненормальное техническое состояние считается нормальным (диагноз Вг) - это ошибка второго рода; ДС(0,0) - правильный диагноз, текущее ненормальное техническое состояние признаётся таковым (диагноз В0).

Результаты формализации четырёх диагностических ситуаций приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты формализации

Решающее правило

Техническое состояние ОД

(диагноз)

Нормальное ТС г Ненормальное ТСо

СДД

Положительный Вг

ДС(г,г)

ДС(о,г)

Отрицательный Во

ДС(1,0)

ДС(о,о)

СУБЪЕКТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬ- -

НОСТИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИ- ЖСШЖ ТОГУ. 2023. № 1 (68)

ЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Их рекомендуется учитывать в концептуальной диагностической модели [2] в части диагностической задачи контроля технического состояния.

В теории статистических решений получен ряд аналитических выражений для совместной оценки ошибок первого и второго родов. В частности, к данному ряду относится выражение (3) для вычисления среднего риска R [1]

R= CioPi [1-F(S> a)]+ C01P2F(8<a), (3)

где Pi - вероятность диагноза Di (априорно известна на основе статистических данных), P2 - вероятность диагноза Do (также априорно известна на основе статистических данных), F() - функция распределения диагностического показателя 8 на соответствующем интервале, С10 - условная стоимость диагностической ситуацииДС(1,0) - эксплуатационные потери от неиспользования исправного ОД по назначения за определенный временной период, Coi - условная стоимость диагностической ситуации ДС(0,1) - возможные эксплуатационные потери от использования неисправного ОД по назначения за определенный временной период.

Выражение (3) для вычисления среднего риска рекомендуется к использованию в качестве возможной формы критерия, предложенного в работе [3] для сравнения вариантов СТО, в рамках базового принципа - систем технического обслуживания должна соответствовать характеристикам надёжности своего объекта.

Последствия ошибок первого и второго родов в общем случае существенно различаются. Их дифференсация характеризуется не только экономическими показателями, но и, в первую очередь, показателями безопасности. В данном отношении уместно привести традиционный пример. Применяя систему обнаружения мин с помощью геолокатора, при ошибочном отнесении камня к мине получаем некоторую небольшую потерю времени сапера. Потери же, связанные с ошибочным отнесением мины к классу камней связаны с жизнью сапера. Подобная ситуация имеет место при эксплуатации многих технических объектов, включая различные виды транспорта.

Известно, чем выше вероятность ложной тревоги, тем меньше вероятность пропуска неисправности, и наоборот. Основная проблема эксплуатационной эффективности состоит в нахождении оптимального соотношения между этими двумя величинами. Одним из возможных подходов к решению данной проблемы является следующий: вероятность ошибки второго рода должна быть минимальной, а вероятность ошибки первого рода не должна превосходить некоторой заданной величины.

Кроме того, в данной работе в качестве перспективы дальнейших исследований предлагается использовать дихотомию и для построения решающего правила в диагностической задаче поиска дефектов.

Сущность адаптация дихотомии к задаче поиска дефектов, для использования её в диагностической экспертной системе, заключается в следующем.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)

Множество возможных дефектов ОД в итерационном процессе, используя специальные эвристики, делить на два подмножества до тех пор, пока мощность одного из этих подмножеств не будет равна единице. Единственный элемент ({4}) фиксирует искомый дефект. При этом необходимо учитывать возможные ошибки первого и второго родов на каждом шаге итерации.

В итерационном процессе диагностирования рекомендуется в рамках дихотомии множества возможных дефектов использовать рекурсивную структуру данных. В отношении текущего множества дефектов (ТМД) такую структуру предлагается задавать соотношениями (4), и они определяют объект эвристики (ОЭ) как любую часть ТМД.

Рекурсивное определение ОЭ:

терминальная ветвь: {^}является ОЭ; (4)

рекурсивная ветвь: если ТМД является ОЭ, то любая его часть есть ОЭ.

В решающем правиле (2) использовался прогрессивный диагностический показатель (переход от нормального ТС к ненормальному происходит в результате возрастания значения данного показателя). Этот показатель оценивается относительно заданной верхней границы - значение а. В решающем правиле применимы и другие возможности - это использование регрессивного показателя (5<Ь, где Ь - заданная нижняя его граница), реверсивного показателя (5>а .ОЯ. 5<Ь - заданы две границы - верхняя и нижняя) и комплекс из нескольких прогрессивных, регрессивных или реверсивных показателей.

В случае реверсивного показателя решающее правило становится сложным (логическая функция ОЯ связывает два отношения). Как следствие, технология применения методов статистических решений должна существенно измениться в сторону усложнения. В случае же комплексного использования нескольких разнородных диагностических показателей эта технология усложняется ещё в большей степени.

Фрагмент концептуальной диагностической модели

В самом общем случае диагностическая деятельность подразумевает наличие объекта деятельности - объекта диагностирования, субъекта (субъекта диагностической деятельности) и их внешнее окружение. Наличие, состояние и особенности указанных элементов предлагается характеризовать понятием «диагностическая ситуация». Выявление, анализ и описание возможных диагностических ситуаций составляют сущность технологии разработки концептуальной диагностической модели с целью последующего проектирования базы данных и базы знаний прикладной экспертной системы.

Традиционно для представления в экспертных системах концептуальных моделей используются стандартные логические формы, к которым относится и фреймовый формализм. Начальный этап формализации возможных диагностических ситуаций, основанный на фреймовой модели знаний, иллюстрируется на рис. 2. Ряд последующих этапов формализации охарактеризован в статьях [2-4].

СУБЪЕКТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)

Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКАЯСИТУАЦИЯ:

ОД СОД

(Фрейм ТЕХНИЧЕСКАЯСИСТЕМА); (Фрейм СДД, Фрейм СТОР, Фрейм СЭД); (Фрейм СТО, Фрейм СРЕДА ) .

Надсистема

Фрейм ТЕХНИЧЕСКАЯСИСТЕМА:

ЭкземплярОД (Фрейм ИДЕНТИФИКА ЦИЯ_ ОД(Х));

ТСОД (Фрейм ТЕХН_ СОС ТОЯНИЕ (Х)).

Ф р е й м С ДД:

ИндивидумСДД (Фрейм ИДЕНТИФИКА ЦИЯ_ СДД( У)); Квалификация (Фрейм ИСТОРИЯОШИБОК(У)).

Рис. 2. Фрагмент схемы концептуальной диагностической модели

Второй слот фрейма ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ - это начальный этап формализации субъекта обслуживающей деятельности (СОД). На рис. 2 он реализован тремя фреймами Фрейм СДД, Фрейм СТОР и Фрейм СЭД. Первый из которых формализован и имеет два слота, а именно: Индивидум_СДД (конкретизирует конкретного специалиста) и Квалификация (предназначен для организации и введения базы данных по истории ошибок первого и второго родов каждого специалиста У). Фрейм СЭД включен в описание слота СОД постольку, поскольку в диагностической и ремонтной практике важно иметь информацию о поведении ОД в фактических эксплуатационных режимах и о фактических действиях операционного субъекта эксплуатационной деятельности.

Дальнейшая формализация знаний о квалификации СДД планируется в рамках учета статистики ошибок первого и второго родов в описании подмножества критически важных диагностических проверок.

Заключение

Ошибки принятия решений различных субъектов эксплуатационной деятельно часто являются причинами чрезвычайных происшествий техногенного характера, аварий и катастроф, ведущих к большим материальным потерям и человеческим жертвам [5]. Учет этих ошибок в диагностических экспертных системах в настоящее время является актуальной проблемой [6]. При этом проблема существенно усложняется в условиях реального времени. Вариант решения данной проблемы в части механизма мониторинга риска пропуска отказов оборудования в реальном времени предложен в работе [7].

В настоящей работе затронута проблема учета ошибочных решений в диагностических задачах контроля технического состояния и поиска дефектов. В пер-

ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)

спективе планируется углубить решение данной проблемы в отношении алгоритмов поиска дефектов и распространить её на задачу прогнозирования технического состояния.

Библиографические ссылки

1. Клюев В.В., Болотин В.В., Соснин Ф.Р. Машиностроение : энциклопедия. М.: Машиностроение. 2003. Т. ГУ-3: Надёжность машин.

2. Воронин В.В. Внешнее представление объекта диагностирования в концептуальной модели // Информатика и системы управления. 2020. №. 1. С. 74-83.

3. Воронин В.В. Система технического обслуживания в концептуальной модели технических объектов // Информатика и системы управления. 2017. № 3. С. 67-74.

4. Воронин В.В. Структурные представления объекта диагностирования в концептуальной модели // Информатика и системы управления. 2022. № 4. С. 6478.

5. Абрамов О.В. Управление состоянием сложных технических систем // Надежность и качество : тр. междунар. симп. [Пенза, 24-31 мая, 2010] : [в 2 т.]. Т. 1. Пенза, 2010. С. 24-26.

6. Методы и модели управления состоянием технических объектов / Асылбе-ков Н.С., Аманова Г.К., Уметбекова М.Н., Осмонбекова С.Д., Канатбек А. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2022. № 3. С. 1-7.

7. Костюков В.Н., Костюков А.В., Костюков А.В. Мониторинг риска эксплуатации оборудования в реальном времени // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 4. С. 126-129.

Title: The Subject of Operational Activity in the Conceptual Diagnostic Model Authors' affiliation:

Voronin V.V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation.

Abstract: When developing a conceptual model for a diagnostic expert system, the features of a team of specialists participating in the process of operating technical objects are not often taken into account. The main objective of this work is to explore and take into consideration some of these features. Within the framework of this task, firstly, the systematization of the subjects of operational activity has been carried out, with the allocation of subjects of the main and supporting activities, the latter included the subject of diagnostic activity. Secondly, a number of elements have been formalized in relation to errors of the first and second kinds for the tasks of monitoring the technical condition and searching for defects. Thirdly, the initial fragment of the scheme of the conceptual diagnostic model in a frame format, which includes the subjects of operational activities, is proposed.

Keywords: operational reliability, maintenance system, subjects of operational activity, diagnostic tasks, errors of the first and second kinds, conceptual diagnostic model.