CC BY
1ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.518.5
В. В. Воронин
ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В ПРАГМАТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ
Воронин В.В. - д-р техн. наук, проф. кафедры «Автоматика и системотехника» ТОГУ (Хабаровск, Россия), e-mail: [email protected].
Понятия вид технического состояния и множество видов технического состояния входят в базовый набор понятий технической диагностики. До настоящего времени существует проблема оценки необходимой или достаточной мощности множества видов технического состояния. Технология выделения видов технического состояния, построенная на последовательном разбиении множества дефектов на два непересекающихся класса, имеет существенные прагматические недостатки. В данной работе на основе систематизации и формализации понятий состояния, технического состояния и видов технического состояния обосновывается и анализируется прагматический подход к формированию множества видов технического состояния.
Ключевые слова: надежность, техническая объект, система технического обслуживания, техническое состояние, виды техническое состояние, управление техническим состоянием.
Введение
В работе [1] определяются понятия эксплуатационного дефекта и множества возможных дефектов. Указывается на их связь с понятием технического состояния (ТС). Предлагается подход к выделению видов технического состояния объекта диагностирования (ОД), основанный на последовательном разбиении множества дефектов на два класса эквивалентности и сопоставлении одного из классов определенному виду состояния. Такая технология выделения видов ТС не всегда оправдана.
Традиционно в технической диагностике исследуются три основные задачи (контроль технического состояния, поиск дефектов и прогнозирование технического состояния). Они взаимосвязаны. Эти связи прослеживаются, в первую очередь, через виды технического состояния. Виды технического состояния также являются посредниками во взаимоотношениях между субъек-
© Воронин В. В., 2022
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
том диагностической деятельности (СДД), субъектом эксплуатационной деятельности (СЭД и субъектом обслуживающей деятельности (СОД).
Проблема заключается в том, чтобы оценить необходимую или достаточную мощность множества видов технического состояния для систематизации указанных выше взаимосвязей и взаимоотношений. Как следствие, в рамках данной проблемы потребуется уточнить логический смысл понятий дефекта, состояния, технического состояния, видов технического состояния и их взаимоотношений с теоретической и прагматичной точек зрения.
Обзор проблемы и постановка задачи
Выделяя характерные виды ТС, СДД преследует некоторую прагматическую целесообразность. При этом прагматический аспект заключается в том, что каждый выделенный вид технического состояния предполагает при его фиксации в процессе контроля ТС реализацию четко сформулированной последовательности действий для СЭД или ССД.
Таким образом, вид ТС - это возможный результат решения первой диагностической задачи, влекущий, как следствие, заранее установленную последовательность действий для СЭД или ССД.
Наиболее обстоятельный анализ понятийного аппарата технической диагностики проведен в монографии [2]. В этой работе рассмотрена также методология построения системы понятий определенной предметной области, и она иллюстрируется логико-семантическим анализом основных понятий технической диагностики цифровых объектов. Однако, множество видов технических состояний включает только такие виды ТС как неправильное функционирование, неработоспособное и неисправное. Причем все они сопоставляются с различного рода неисправностями и никак не связываются с возможными действиями СЭД или ССД.
В статье [3] выделены следующие четыре вида ТС: «хорошее»; «допустимое»; «требует принятия мер» и «недопустимое». Указанная последовательность этих видов отражает процесс деградации технологического оборудования от состояния нормального функционирования к состоянию невозможности продолжения его использования по назначению. При этом отсутствует явная аргументация по взаимозависимости множества видов ТС с процессом деградации и с требованиями безопасности и эксплуатационной эффективности.
В работе [4] анализируются различные «гостовские» формулировки видов ТС. В них основной их смысл сводится к соответствию или несоответствию требованиям нормативно-технической документации. А то, что обычно содержится в такой документации не выдерживает никакой критики.
В статье [5] представлены основанные на искусственном интеллекте алгоритмы профилактического обслуживания, которые используют различные виды технического состояния применительно для двух ресурсо-ограничивающих блоков системы (режущего инструмента и двигателя шпинделя). В работе также описан оригинальный подход к исследованию процессов износа инструмента и подшипников, имеющий явную прагматическую направленность.
ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В ПРАГМАТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
Авторами статьи [6] предложена процедура прогнозирования спроса на запасные части для СТО, использующая информации о возможных видах ТС технологического оборудования. Общая идеология статьи имеет ярко выраженный прагматический характер (минимизация общих затрат СТО при высоком качестве обслуживания и его своевременности.
В статье [7] правила принятия решения о необходимости профилактических либо корректирующих программ в СТО включают ряд видов ТС. При этом данные виды ТС иерархически распространяются на определенное множество ресурсо-ограничивающих блоков системы. Прагматическая направленность этой работы также не вызывает сомнения.
Постановка задачи - на основе систематизации и формализации таких понятий как состояние, техническое состояние, вид технического состояния и их взаимоотношений обосновать прагматический подход к формированию множества видов технического состояния объекта диагностирования.
Систематизация понятия технического состояния
В качестве отправной точки имеет смысл охарактеризовать и систематизировать взаимоотношения понятий состояние и техническое состояние ОД.
Уже в до техническую эпоху в смысловом содержании понятия «состояние» выделяли два существенных момента, которые прослеживаются в следующий цитатах [8].
«Из одного состояния все переходит в другое. Не остается ничего незыблемым: все преходяще, все претворяет природа и все заставляет меняться».
«Состояние выступает как момент проявления существования объектов, который можно количественно описать».
В первом случае, состояние - это характеристика объектов относительно «большого и длительного» времени, а втором - относительно «малого и непродолжительного» времени. Состояние имеет свой прагматический только по отношению к какой-либо шкале времени.
В современную технологическую эпоху вышеуказанные особенности анализируемого понятия естественным образом распространяются на технические системы, а именно: понятие состояние относительно непродолжительного времени трансформируется в понятие функционального состояния (характеризует текущий процесс функционирования технической системы), а понятие состояния относительно продолжительного времени трансформируется в понятие технического состояния (оно характеризует текущий момент в процессе деградации технического объекта).
Таким образом, в диагностике следует четко различать два типа состояний - функциональное и техническое. Первое оценивается в текущем реальном времени (если ОД эксплуатируется циклически, то текущее реальное время уместно называть циклическим или функциональным). Техническое состояние в диагностических задачах оценивается в рамках всей эксплуатационной истории. Текущую историю, в сравнении с циклическим временем, уместно называть деградационным или глобальным временем, основными характеристиками которого являются линейность и однонаправленность.
Сформулированная выше позиция автора в отношении понятия «состояние» имеет ряд важных для теории технической диагностики следствий.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
Первое. Количественные или качественные показатели функционального состояния ОД в современной диагностической практике рассматриваются как диагностические показатели, используемые для оценки технического состояния. Иллюстрационный пример такого показателя приведен на рис. 1.
Второе. Следует различать две фундаментальные разновидности ОД. Первая разновидность характеризуется наличием в них функционального процесса (в классификационной схеме [9] такие ОД названы поточными объектами). Эти объекты характеризуются и функциональным состоянием, и техническим состоянием, их уместно также называть техническими системами или динамическими объектами. Противоположная разновидность ОД -это статические, не поточные объекты без функционального процесса. Для них имеет логический смысл только понятие технического состояния.
Третье. Это следствие имеет непосредственное отношение к проблематике данной статьи. Каждый тип состояния имеет свои виды состояний. Например, рис. 1 [10] иллюстрируется два вида функционального состояния - нормальное и анормальное. Последние можно рассматривать как качественный диагностический показатель для оценки технического состояния.
Четвертое. Оба типа состояний (функциональное и техническое) объективно имеют свою иерархию, которая, в общем случае, характеризуется отношением целого и его частей. Современные технические системы - это сложные системы, сложность которых в первую очередь определяется огромным числом элементов в их конструктивном представлении (для цифровых систем это вентильный уровень [2]). Так аномальное состояние объекта диагностирования в целом имеет свои основания, локализованные в каких-то его конструктивных частях или блоках.
Пятое. Практическая возможность для оценки состояния каждой конструктивной части ОД, как правило, отсутствует. В такой сложной ситуации субъектом диагностической деятельности предлагается ввести ограничение и контролировать только ресурсо-ограничивающие блоки [11]. Пример контроля количественного показателя функционального состояния ресурсо-ограничивающего блока приведен на рис. 1.
а) б)
Рис. 1. Пример количественного показателя функционального состояния, а) нормальное; б) анормальное
Другими словами, данная иллюстрация характеризует недопустимый вид технического состояния или проявление дефекта в функциональном времени.
ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ -
В ПРАГМАТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ ЖЛИИСТОГУ. Ж2 № 1 (64)
Красные линии на рисунке задают допустимый диапазон диагностического показателя ресурсо-ограничивающего блока ОД.
Формализация понятия технического состояния
Имея систематизированное содержательное описание взаимоотношений понятий «функциональное состояние» (часто - просто состояние) и «техническое состояние», можно переходить к формализации понятия «техническое состояние», а далее к анализу видов технического состояния. Формализация понятия «функциональное состояние» достаточно полно характеризуется, например, в теории автоматического управления.
С формальной точки зрения состояние ОД - это множество устойчивых значений его параметров, изменяемых в функциональном или деградацион-ном времени. Поэтому естественным образом количественные показатели состояния моделировать временными математическими функциями.
Здесь уместно обратить внимание на один из базовых принципов технической диагностики - изменение технического состояния всегда причинно обусловлено, и эта причина принципиально может быть обнаружена.
Технология формализации обычно требует четкой фиксации некоторых допущений. Первое допущение. Техническое состояние ОД достаточно полно описывается конечным набором (вектором) 5=(31, 52,..., 5„) его нормируемых прямых количественных показателей дефектов. Дефект, в общем случае, это недопустимое отклонение от нормы. Следовательно, каждый 5 имеет норму, сформулированную в терминах эксплуатационной безопасности или в терминах эксплуатационной эффективности. Второе допущение. Оно подчинено первому, а именно: элементы вектора 5=(51, 52,..., 3,) локализованы (распределяются) по конечному числу ресурсо-ограничивающих блоков ОД.
Принимая данные ограничения, мы тем самым техническое состояние ОД отождествляем с точкой 5 в пространстве & реально возможных технических состояний. В каждый момент деградационного времени ^ ОД находится в некотором текущем ТС 5(1), и 5(0 е & . Вектор 5(0 формально описывает процесс деградации в п-мерном пространстве.
Деградационные изменения носят негативный характер в смысле уменьшения ресурса технической системы. Для отображения формальной картины такой негативности можно использовать интегральный показатель, возможный вариант обобщенной формы которого представлен ниже
Р(0=Р[Щ] = £ 1\Я(5(г)^г (1)
Обобщенных показатель (1) позволяет отображать на плоскости и свойство интегральности и свойство негативности, а также иллюстрировать ряд возможный ситуаций в технологии выделения необходимых и достаточных видов ТС. Кроме того, здесь сочетаются две шкалы времени - деградационная шкала ^ и функциональная шкала г. Виды и множество видов технического состояния
Учитывая объективные (отказы технических систем выполнять свои
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
функции) или субъективные (недопустимое отклонение от норм безопасности или эффективности) события в рамках реальной эксплуатационной деятельности, пространство 0 логично разбить на две непересекающихся части: область А недопустимых (анормальных) ТС и область N=0A допустимых (нормальных) ТС, которым соответствует двухэлементное множество TS={Нормалъное - S1, Анормальное - S2} видов ТС.
А далее, исходя из вышеизложенной позиции, можно сформулировать целый спектр методологических вопросов.
1. Какое прагматическое значение для теории и практики технических систем имеет множество TS={Нормалъное, Анормальное}, |TS| = 2?
Для теории - это обоснование актуальности такого научного направления как надежность технических систем, включая техническую диагностику и теорию управления техническим состоянием (системы технического обслуживания и ремонта (СТО)). Действительно, если P[S(t)J = const и te[t№ tK], то отсутствует целесообразность в структуризации пространства &.
Для практики - это обоснование и фиксация предмета деятельности для СДД. Действительно, в такой ситуации у СДД уже появляется задача контроля ТС, а в случае идентификации анормального вида состояния - ему предписывается сформулировать, как минимум, общие рекомендации по дальнейшим действиям в рамках существующих корпоративных бизнес-процессов. Как правило, это общее предписание СОД в условиях такой тривиальной системы диагностирования, в которой решается только задача контроля ТС.
2. Имеем ли смысл выделять виды ТС в области N?
Ответ на данный вопрос зависит от особенностей корпоративных бизнес-процессов, в рамках которых эксплуатируется техническая система. Если эти процессы включают в себя технологию прогнозирования ТС, то имеем смысл в области N выделять один или несколько пред аномальных видов ТС.
Вторая возможная ситуация связана с деятельностью рекламного характера. Здесь часто СЭД используют такой вид ТС, как «отличное техническое состояние», принадлежащий области N.
3. Сколько видов технического состояния необходимо и достаточно выделять в области А, iTSl > 2?
Ответ, в общем случае, определяется уровнями и соотношениями объективной и субъективной составляющих в корпоративных процессах управления техническим состоянием.
Для ответа на этот вопрос, прежде всего отметим, что «необходимости» в данном случае ставим в соответствие «объективность». Данное соответствие понимается следующим образом: реально невозможно не учитывать такие объективные события при эксплуатации технической системы, которые обуславливают отсутствие или неустойчивость ее процесса функционирования. Это обстоятельство требует дополнительного вида ТС. Например, если под формальной структурой технической системы понимать линейную взаи-
ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В ПРАГМАТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)
мосвязанную последовательность [12]
{источник энергии —двигатель —трансмиссия —рабочий орган}, то существенный дефект хотя бы одного элемента или связи этой последовательности ведет к неработоспособности системы в целом (невозможности ее использования по назначению).
Далее, «достаточности» ставим в соответствие «субъективность». Это означает, что СЭД, исходя из существующих требований безопасности или эффективности к корпоративным бизнес-процессам, устанавливает определенные нормы, в пределах которых должно находиться текущее ТС. Такие пределы обуславливают дополнительные виды ТС.
Предлагаем один из возможных методологических подходов к выделению дополнительных видов ТС. В рамках данного подхода определим три следующих логических высказывания.
В1 - Процесс в ОД не запускается или он не устойчив.
В2 - Нарушена норма безопасности, P[S(t)] <Q6 .
В3 - Нарушена норма эффективности P[S(t)] <Q3 .
В двух последних высказываниях £2б и £2э - это соответственно нормы безопасности и эффективности.
Возможные соотношения данных высказываний представлены в табл. 1. Так, если В1 = 1 (True), то это соответствует ситуации, когда в ОД отсутствует функциональный процесс, и нет объективных условий для оценки текущего ТС относительно норм £2б и Q3, В1 как бы доминирует над В2 и В3. Поэтому первые четыре строки табл. 1 объединены в рамках последнего столбца, и они представляют дополнительный вид ТС - AR - неработоспособность. Например, если В2 = 0 (False), то не нарушена норма безопасности.
Таблица 1
№ Bi В2 Вз Вид ТС
1. 1 - -
2. 1 - - AR
3. 1 - -
4. 1 - -
5. 0 0 0 N
6. 0 1 0 AB
7. 0 0 1 AE
8. 0 1 1 ABE
Затем, учитывая остальные четыре строки таблицы, получим TS = {N, AR, AB, AE, ABE}, где N - нормальное, AB - небезопасное, AE - неэффективное, ABE - небез-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
опасное и неэффективное.
Различные варианты взаимоотношений норм безопасности и эффективности, а также многопроцессность технических систем, характеризуют перспективу для расширения множества TS. В этой перспективе следует учитывать дополнительно специализацию СОД (различные бригады для восстановления различных видов ТС).
Если исходить только из прагматичных соображений, то число видов ТС в реальной корпоративной ситуации определится количеством действующих регламентов на выполнение работ по восстановлению анормального состояния. Каждому виду ТС однозначно соответствует свой регламент.
4. Что соответствует одно элементному множеству TS, I TS|< 2?
Пусть TS={S1}. Формально этой абстрактной возможности соответствует P[S(t)] = const, а содержательно это говорит о том, что обосновывается и принимается гипотеза неизменности ТС, распространяющаяся на весь жизненный цикл ОД. Как следствие, устраняется необходимость управления ТС (и система диагностирования и СТО теряют свой прагматический смысл).
Пусть TS={S2}. Такая абстрактная возможность характеризует, как вариант, выбракованную техническую систему. Её анормальность определяют такие конструктивные или технологические дефекты, устранить которые нет технической возможности или восстановление нецелесообразно по определенным субъективным причинам.
Пусть TS=0. Эта абстрактная возможность может интерпретироваться следующим образом. Реально техническая система пока не существует, она находится на одной из ранних стадий проектирования.
В качестве заключения по данному подразделу еще раз отметим факт о том, что ситуация I TS | = 2 требует, как минимум, наличия тривиальной СТО, а I TS| > 2 - не тривиальная СТО.
5. Области N и А не пересекаются? Отрицательный ответ на данный вопрос может быть обоснован, если принять во внимание условия эксплуатации технической системы и возможные ошибки СЭД. Например, приведем описание события, которое принято называть «ситуационный дефект». Такой дефект имеет место тогда, когда, например, в суровый зимний эксплуатационный период в автомобиле СЭД использует летнее дизельное топливо. Объект технически исправен, но он неработоспособен из-за ошибки субъекта.
Завершая обсуждение возможных видов технического состояния, прокомментируем еще один методологический подход к проблеме их выделения. Он базируется на понятии множества возможных дефектов. В [11] предлагается формализация этого понятия в виде следующего выражения.
В выражении (2) все элементы, кроме последнего, являются идентификаторами дефектов. Последний - это подмножество до некоторого времени неизвестных дефектов.
(2)
ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ -
В ПРАГМАТИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ ЖСШЖТСГУ: Ж2 № 1 (64)
Отправной точкой в анализируемом подходе является разбиение множества D на два класса - (0, D}. Первому классу ставится в соответствие нормальное ТС, а второму - анормальное или неисправное состояние.
А далее в области неисправности выделяются другие виды ТС путём последовательного деления каждого второго класса дефектов на два новых с характеристикой особенностей дефектов в этих классах.
Однако, наличие в множестве (2) особого элемента {null} может привести к противоречию. Оно заключается в том, что разбиение (0, D} не всегда верно отражает диагностическую ситуацию. Например, имеется некоторый дефект, но он пока не обнаружен и не зафиксирован как элемент D. К какому виду ТС относится эта ситуация?
Заключение
Формирование достаточно представительного множества видов ТС на практике необходимо для организации оптимальных действий эксплуатирующего и обслуживающего персонала, адекватных текущему техническому состоянию ОД, и минимизации затрат на процесс нормализации данной эксплуатационной ситуации.
Предложенный прагматический подход к формированию множества видов технического состояния имеет пирамидальную структуру. В статье исследована только вершина этой пирамиды. Перспектива дальнейшего расширения множества видов технического состояния связана
1) с учетом иерархических особенностей исследуемой технической системы;
2) с организационными особенностями корпоративных процессов управления техническим состоянием.
Систематизация и формализация видов технического состояния имеет еще один прагматический аспект, а именно: результаты такой деятельности обуславливают возможность автоматизации в практике управления техническим состоянием (автоматический запуск резервных элементов для ресурсо-ограничивающих блоков).
Библиографические ссылки
1. Воронин В. В. Множество возможных дефектов и виды технических состояний // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. № 6. С. 41-44.
2. Микони С. В. Общие диагностические базы знаний вычислительных систем, СПб. : СПИИРАН. 1992. 234 с.
3. Бувалый Г. Е., Завершинский В. С. Методы построения систем мониторинга и диагностики оборудования и средств автоматизации газовых промыслов с учетом требований нормативной документации ПАО «ГАЗПРОМ» // Газовая промышленность. 2017. № 3. С. 85-91.
4. Науменко А. П. Теория и методы мониторинга и диагностики. Омск : ОмГТУ, 2018. 135 с.
5. Predictive Maintenance of Machine Tool Systems Using Artificial Intelligence Techniques Applied to Machine Condition Data / Wo JaeLee, Haiyue Wu, Huitaek Yun,
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)
Hanjun Kim, Martin B.G. Jun, John W. Sutherland // Procedia CIRP. 2019. Vol. 80. P. 506-511.
6. Enzo Morosini Frazzon, Eduardo Israel, André Albrecht. Spare parts supply chains' operational planning using technical condition information from intelligent maintenance systems // Annual Reviews in Control. 2014. Vol. 38, Issue 1. P. 147-154.
7. A condition-based maintenance policy for multi-component systems subject to stochastic and economic dependencies / Yukun Wang, Xiaopeng Li, Junyan Chen, Yiliu Liu // Reliability Engineering & System Safety. 2022. Vol. 219. 108174.
8. Дунец О.А. Понятие «состояние» в системе философских категорий. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/35435/22-Dunets.pdf?sequence=1 (дата обращения: 06.12.2021).
9. Воронин В. В. Теоретические проблемы диагностических экспертных систем. Владивосток : Дальнаука, 2005. 164 с.
10. Архитектура системы мониторинга и прогнозирования состояния космического аппарата / Абрамов Н. С., Ардентов А. А., Емельянова Ю. Г. и др. // Программные системы: теория и приложения. 2015. № 2. С. 85-99.
11. Voronin V.V. Theoretical principles for the diagnostic support development for transport and technological machines. CATPID-2020 // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020. 913 042055. P. 1-5.
12. Саламатов Ю. П. Система законов развития техники (основы теории развития технических систем). URL: http://www.trizminsk.org/e/21101400.htm. (дата обра-щения:17.12.2021).
Title: Types of Technical Condition in a Pragmatic Aspect Authors' affiliation:
Voronin V. V. - Pacific State University, Khabarovsk, Russian Federation Abstract:
The concepts of the type of technical condition and many types of technical condition are included in the basic set of concepts for technical diagnostics. Until now, there is a problem of assessing the necessary or sufficient capacity of many types of technical condition. The technology of identifying the types of technical condition, based on the sequential division of the set of defects into two non-intersecting classes, has significant pragmatic drawbacks. In this article, a pragmatic approach to the formation of many types of technical condition is substantiated by means of systematization and formalization of the concepts of condition, technical condition and types of technical condition.
Key words: reliability, technical object, maintenance system, technical condition, types of technical condition, control of technical condition.
