Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирская государственная геодезическая академия

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Оптимизация комплекса инженерно-геодезических работ при монтаже технологического оборудования инженерных объектов

25.00.32 - «Геодезия»

Хорошилов Валерий Степанович

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Карпик Александр Петрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Герасименко Михаил Данилович

доктор технических наук, профессор Гуляев Юрий Павлович

доктор технических наук Демьянов Глеб Викторович.

Ведущая организация - Московский государственный университет геодезии и картографии.

Защита состоится «20» апреля 2009 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при Сибирской государственной геодезической академии по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Середович В.А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.

Формат 60 х 84 1/16. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 1,66. Тираж 100 экз.

Заказ

Редакционно-издательский отдел СГГА

630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА

630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Большинство современных инженерных объектов характеризуются сложностью устройств и условий функционирования, высокими требованиями к обеспечению точности определения положения деталей, узлов и механизмов; в то же время существует множество и большое разнообразие постоянно развивающихся методов и средств их геодезического обеспечения.

Монтаж сложных комплексов, крупногабаритных машин и установок является одним из наиболее распространённых процессов в практике инженерно-геодезических работ, постоянно требующий оперативного решения целого ряда задач, связанных с контролем геометрических параметров инженерных объектов. При современном уровне развития информационных технологий, в условиях возрастания разнообразия, сложности и прецизионности инженерных объектов (характеризуются сотнями технологических линий различного назначения), постоянного расширения арсенала методов и средств геодезических измерений (охватываются тысячи средств измерений, в том числе и современные: электронные тахеометры, лазерные сканеры, спутниковые методы), чрезвычайно большого объёма информации в рассматриваемой предметной области, который слабо систематизирован и обобщён, недостаточно хорошо изучен и утрачивается в условиях имеющего место снижения преемственности знаний между поколениями - существует проблема, вызванная необходимостью систематизации существующего уровня научного и практического знания и принятия решения на новой методологической и технологической информационной основе (с помощью экспертной системы) для активного и научно-обоснованного выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов по точности, оперативности использования, наименьшим затратам и производительности труда. Это имеет место, как при проектировании геодезических работ на уникальных сооружения, так и на других, ещё более распространённых объектах производства строительно-монтажных работ, а также в эксплуатационный период. Поэтому разработка и реализация основ создания предлагаемой информационной экспертной системы осуществлена в диссертации на примере геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования, как одного из наиболее трудоёмких, сложных и точных процессов геодезического обеспечения инженерных объектов. Отмечается, что информационные экспертные системы представляют собой наиболее высокий «активный» уровень информационного обеспечения и их создание в области геодезии рассчитано на научно-техническое опережение. Кроме того, разработка экспертных систем входит в перечень основных направлений фундаментальных исследований по развитию науки, технологий и техники, определённых правительством РФ (подраздел 3.2. Системы искусственного интеллекта).

Целью исследования является методологическое и теоретическое обоснование разработки геодезической информационной экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов и её практическая реализация.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- выполнен анализ современного состояния геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов, обоснованы цель и задачи исследований;

- методологически и теоретически обоснована структурно-функциональная схема разработки и реализации информационной экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов;

- на основе выполненного системного анализа технологии геодезического обеспечения инженерных объектов в совокупности с геодезическими методами и средствами измерений разработаны методологические основы построения «базы знаний» информационной экспертной системы;

- разработана база данных геодезических методов и средств измерений для обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов в структуре информационной экспертной системы;

- выполнена систематизация существующего уровня научного и практического знания в области геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов, реализованная в виде разработанных базы данных и «базы знаний» информационной экспертной системы;

- решена задача оптимального выбора средств измерений для геодезического контроля геометрических параметров технологического оборудования инженерных объектов на основе разработанной технологической схемы;

- разработана методика оценивания параметров средств геодезических измерений для их оптимального использования при решении производственных задач монтажа технологического оборудования инженерных объектов;

- разработан и реализован специальный модуль геодезической информационной экспертной системы для обучения и тестирования знаний пользователя для выбранных средств измерений;

- разработаны новые устройства для геодезических измерений прямолинейности, параллельности, перпендикулярности, горизонтальности при контроле геометрических параметров формы и расположения элементов технологического оборудования.

Объектом настоящих исследований являются методы и средства геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов.

Предметом исследования служат методологические и теоретические основы разработки и реализации геодезической информационной экспертной системы для оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов.

Степень разработанности проблемы. За предыдущие годы накоплен колоссальный опыт геодезических работ при строительстве таких уникальных сооружений как ускорители заряженных частиц, атомные и тепловые электростанции, антенные комплексы, крупные промышленные предприятия, гидроузлы и др. Разработаны и созданы уникальные в своем роде специальные нестандартизированные приборы, устройства и различное оборудование, уникальные методики, специальные геодезические знаки - и всё это исчисляется тысячами наименований. Многие из этих приборов, систем и устройств уникальные, дорогостоящие и единичные, сохранились в ряде организаций и в то же время редко используются. При этом в практику инженерно-геодезических работ интенсивно внедряются современные средства измерений: электронные тахеометры, лазерные сканеры, спутниковые методы. Существует необходимость создания геодезической информационной экспертной системы для наиболее эффективного использования, как существующих разработок, так и современных средств измерений с целью оптимального выбора средств измерений по точности, оперативности, наименьшим затратам и производительности труда.

Проблема систематизации существующего опыта научного и практического знания и принятия решения на новой методологической и технологической информационной основе (с помощью экспертных систем) для активного и научно-обоснованного выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов до выполнения предлагаемых исследований ранее не решалась. Существующие разработки в области оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования имеют разрозненный характер, не опираются на принципы системного подхода, единую методологию и общность технологической реализации на современном научно-техническом уровне. Практически полностью отсутствует в геодезии использование современных информационных технологий для системного накопления, сохранения, обновления и реализации инженерии знаний, в том числе в области оптимизации выбора методов и средств геодезических измерений и всё это при том, что в процессе монтажа технологического оборудования трудоёмкость инженерно-геодезических измерений достигает 15-20% от трудоёмкости. Предлагаемая работа ориентирована на современный научно-технический уровень геодезического обеспечения инженерных объектов и на перспективу его развития.

Теоретическая и методологическая база исследований. Для обоснования теоретических обобщений, принципов и заключений использовались методология системного и объектно-ориентированного подхода, вероятностный и экспертный методы, теоретические положения метода планирования эксперимента при оптимизации многофакторного процесса. Для решения задач разработки и реализации экспертной системы использовались методы моделирования с применением CASE-средств на основе языка UML.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- разработаны методологические и теоретические основы создания геодезической информационной экспертной системы, включая «базу знаний» и базу данных для оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения инженерных объектов на примере монтажа технологического оборудования;

- впервые предложено и разработано структурно-функциональное содержание, выполнено обоснование необходимого набора функций, инструментальных компонент и структуры программного обеспечения с целью реализации информационной экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов;

- выполнена систематизация существующего уровня научного и практического знания в области геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов, реализованная в виде разработанных базы данных и «базы знаний» информационной экспертной системы; геодезический инженерный технологический

- определены теоретические положения оптимизации геодезического обеспечения для реализации технологической схемы оптимального выбора методов и средств геодезических измерений при монтаже технологического оборудования инженерных объектов;

- предложены принципы назначения точности геодезических измерений, категории и методы геодезического контроля в зависимости от типа технологического оборудования инженерного объекта и его ответственности;

- разработаны новые устройства для геодезических измерений прямолинейности, параллельности, перпендикулярности, горизонтальности при контроле геометрических параметров формы и расположения элементов технологического оборудования; приоритет разработок подтверждается 7 авторскими свидетельствами и патентом РФ на изобретения.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- теоретическое и методологическое обоснование структурно-функционального содержания информационной экспертной системы для оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов представляют основу для разработки других экспертных систем геодезического назначения;

- разработанные «база знаний» предметной области информационной экспертной системы в инструментальной среде CLIPS и база данных в среде MS Access 2003 позволили систематизировать существующий научно-производственный опыт проектирования геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов;

- разработанные методика оценивания параметров средств геодезических измерений и технологическая схема оптимального выбора методов и средств для контроля геометрических параметров при монтаже технологического оборудования являются основой для решения подобных проблем в других областях инженерно-геодезических работ.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методологические и теоретические основы разработки информационной экспертной системы для оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов и технологические решения её реализации;

- теоретические и методологические принципы назначения точности для геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования;

- технологическая схема оптимального выбора геодезических методов и средств контроля геометрических параметров при монтаже технологического оборудования и методические решения для её реализации.

Реализация основных результатов исследований. Основные результаты выполненных разработок нашли применение при монтаже и выверке технологического оборудования Волгодонской АЭС и ИЯФ (Института ядерной физики) Сибирского отделения РАН, в учебном процессе СГГА. Работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», № 1.02.07 по заданию Федерального агентства по образованию.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию СГГА (г. Новосибирск, 1998 г.), на L11 научно-технической конференции СГГА (г. Новосибирск, 2002 г.), на L111 международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию СГГА (г. Новосибирск, 2003 г.), на международной научно-технической конференции посвященной 225-летию МИИГАиК (г. Москва, 2004 г.), на научных конгрессах ГЕО-Сибирь (г. Новосибирск, 2005 г., 2006 г., 2007 г, 2008 г.), на 2-ом и 3-ем международных промышленных форумах Geo-Form+ (г. Москва, 2005 г. и 2006 г.), на 2-й региональной научно-практической конференции (г. Иркутск, 2006 г.), на международной научно-технической конференции МГСУ (г. Москва, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание работы освещено в 53 публикациях, 7 из которых - авторские свидетельства и патент РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 319 наименований и отдельного тома приложений. Основной текст диссертации изложен на 257 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 29 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении диссертации обоснована актуальность темы исследований, показана степень разработанности проблемы; обоснованы цель и задачи, объект и предмет исследований, научная и производственная значимость; приведена реализация основных результатов работы, а также научные положения, выносимые на защиту. Постановка исследуемой проблемы относится к всевозможным видам инженерных объектов, проектирование, возведение и эксплуатация которых сопровождается геодезическим обеспечением. Основные разработки в диссертации осуществлены на наиболее сложном примере - монтаже технологического оборудования. Показывается, что на современном уровне развития информационных технологий, в условиях возрастания разнообразия, сложности и прецизионности инженерных объектов, постоянного расширения арсенала методов и средств геодезических измерений существует необходимость создания информационной экспертной системы для оптимального проектирования геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов. Подчеркивается, что информационные экспертные системы представляют собой наиболее высокий «активный» уровень информационного обеспечения и их создание в области геодезии рассчитано на научно-техническое опережение. Отмечено, что исходная база при разработке информационной экспертной системы для оптимального геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов заложена в работах отечественных и зарубежных учёных-геодезистов: Г.Г. Асташенкова, В.Д. Большакова, П.И. Барана, Н.Г. Видуева, И.Ю. Васютинского, А.А. Визгина, Ю.П. Гуляева, Б.Н. Жукова, А.В. Зацаринного, Д.А. Кулешова, Е.Б. Клюшина, В.Г. Конусова, Н.Н. Лебедева, Г.П. Левчука, М.И. Лобова, Ф.Л. Мещанского, Н.Н. Маркова, В.Е. Новака, В.К. Панкрушина, М.А. Палей, Ю.И. Пимшина, Г.Е. Рязанцева, Г.А. Уставича, Х.К. Ямбаева, P. Kissam, K. Michael, H. Amriswil и др., а также в работах учёных по искусственному интеллекту: Т.А. Гавриловой, А.Н. Колмогорова, М. Минского, Г.С. Осипова, Э.В. Попова, Д.А. Поспелова, Г.А. Поллак, В.Н. Убейко, А.П. Частикова, П. Джексон, Ф. Хейес-Рот, Д. Уотерман, Д. Элти, М. J. Кумбс, H. Boose, A. Hart, S.J Russell, N. Viner и др.

Первый раздел «Анализ состояния проблемы систематизации существующего опыта геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов» посвящён аналитической оценке состояния геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования уникальных промышленных и научно-исследовательских сооружений, крупных энергетических объектов (атомные и тепловые электростанции, гидроузлы), промышленных предприятий. Показан опыт применения уникальных технологий и методик, методов и средств геодезических измерений, специальных геодезических приборов, знаков, устройств для геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования. Выполнен анализ решения ряда вопросов, связанных с оптимизацией выбора методов и средств геодезических измерений:

- выбор категорийного аппарата для оптимального проектирования геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования;

- назначение точности геодезических измерений на основе связи предельной погрешности измерений и контролируемого параметра с учётом работ Н.Н. Маркова, Ю.В. Столбова, В.Н. Чупырина, Б.Н. Жукова;

- выбор математического аппарата для обоснования эффективности применения геодезического метода измерений с учётом ответственности геодезического контроля, трудоёмкости выполнения работ, квалификацией исполнителя, документацией контроля, влиянием производственных условий и внешней среды;

- возможностей применения экспертных систем как наиболее эффективного средства автоматизации для оптимального проектирования геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов и перспективные направления их разработки.

Разработана классификационная схема методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования (рисунок 1), положенная в основу построения базы данных экспертной системы.

Рисунок 1 - Классификация методов и средств геодезических измерений

Во втором разделе «Методологические и теоретические положения геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования» с позиций системного подхода исследована общая структура технологии монтажного производства, выделены основные модули системы: производственный процесс монтажа {^пп}, монтажный технологический процесс {^мп}, организация и управление производством {^оу} и техническое проектирование {^тп}. Показана взаимосвязь модулей системы в решении общей задачи - обеспечение производственного процесса монтажа технологического оборудования инженерных объектов. Детальное исследование структуры монтажного производства позволяет утверждать, что любое производство монтажной организации может быть представлено в виде формализованных основных элементов производственной системы и их взаимосвязей в определённом сочетании, а именно, конкретно возникающих задач контроля геометрических параметров технологического оборудования и соответствующих условий производства. Выделена особая роль технического контроля, как важнейшей части комплексной системы управления качеством и его составной части - геодезического контроля геометрических параметров технологического оборудования. Именно наличие группы технического контроля в модуле {^оу} оказывает определяющее влияние на формирование элементов модуля технического проектирования {^тп}, в котором одновременно с разработкой технологии монтажа, разрабатываются основные принципы и параметры геодезического контроля. Тщательная разработка основных положений геодезического контроля при проектировании геодезического обеспечения монтажа сложных комплексов, крупногабаритных машин и установок на различных инженерных объектах обеспечивает качество проектных решений на всех стадиях проектирования. Установлено, что исходными данными для разработки процесса геодезического контроля при монтаже технологического оборудования являются: объекты контроля (технологическое оборудование, технологический процесс); производственная задача (вид контролируемого параметра и точность его контроля); метод и вид контроля; методы и средства геодезических измерений; место получения первичной информации о контролируемых признаках (контролируемая точка, базовая поверхность); состояние и изменение производственных условий; квалификация исполнителей; вид исполнительной документации. Качественный и всесторонний учёт влияния вышеперечисленных факторов осуществлён в диссертации на новой методологической и информационной основе - информационной экспертной системе (ЭС) - для решения конкретных производственных задач с целью оперативного выбора наиболее рационального средства измерений, учитывающего особенности производственных условий. Учитывая тот факт, что экспертная система адаптирована на решение производственных задач (вид контролируемого параметра, количество контролируемых точек, производственные и внешние условия), то методы и средства геодезических измерений выбираются с большой степенью приближения к конкретным условиям производства.

Рисунок 2 - Структурно-функциональное содержание экспертной системы

В основу разработки информационной экспертной системы для геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов положено её структурно-функциональное содержание, представленное на рисунке 2, которое в полной мере распространяется и на другие виды геодезического обеспечения инженерных объектов.

Для разработки информационной экспертной системы систематизированных геодезических методов и средств измерений выполнен анализ известной практики монтажного производства с позиции производственных задач, возникающих в данной области, для решения которых применяются геодезические методы измерений.

Интерпретация геодезического метода, как основы для работы при монтаже технологического оборудования, осуществлена в виде системы - комплекса материальных компонентов, имеющих собственную структуру, многообразные связи и отношения, проявляющихся в развитии метода и его изменении:

U_ом = F { U_ci [ U_бi ( U_фi ( U_мj ( х_{1 ,} х₂ ,…, х_q ))) ] }, (1)

где U_ом - процесс монтажа технологического оборудования;

F - функция взаимосвязей монтажного и производственного процессов производства монтажа оборудования;

U_ci , U_бi - формализованные группы социальных и биологических связей, проявляющиеся как последствия аварийных и предаварийных ситуаций, простоя оборудования и т. п.;

U_фi - формализованная группа физического уровня связей, определяющая технологическую взаимосвязь элементов оборудования;

U_мj - формализованная группа механического уровня связей, характеризующая геометрическое расположение отдельных элементов оборудования;

х₁ , х₂ ,…, х_q - параметры, характеризующие связи механического уровня (например, отклонения формы и расположения элементов оборудования).

В результате геодезической интерпретации измерительной информации установлено, что только механические и физические связи оцениваются на основе геодезической информации; связи химического, биологического и социального уровней проявляются как следствие предаварийных или аварийных ситуаций, простоя технологического оборудования и т. п. Показано, что с точки зрения геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования, выражение (1) для механического и физического уровней связей принимает вид:

U_пр = ц {U_фi [U_мj ( х_{1 ,} х₂ , …, х_q ) ] }, (2)

где U_пр - условно предельная закономерность, характеризующая взаимосвязь и взаимоотношения физического и механического уровней связей;

ц - функция формализованных связей физического и механического уровней.

Получено выражение, характеризующее конкретный способ измерений:

U_{пр (r)} = () d х_r , (3)

где А и В - параметры диапазона измерений.

Предложено рассматривать практическую реализацию методов, способов и средств измерений, описываемых выражениями (1), (2) и (3) в структуре экспертной системы как исходную для построения банка данных, имеющую иерархический принцип расположения экспертных оценок, адаптированных на решение определённых условий производственных задач. При этом каждая из экспертных оценок (в соответствии с уровнем решения определённого вида условий) использована как целевая точка М_i , определяющая способ и средство измерений для существующих условий производства. Целевые точки М_i в системе находятся сколь угодно близко друг от друга, но при этом не налагаются (это различные средства измерений, с помощью которых можно решить поставленную задачу, но с различной степенью эффективности). Интерпретация экспертных оценок, заключенных между целевыми точками, является информацией не принимаемой во внимание, но в зависимости от конкретных условий производственных задач следует оценивать допустимость данного обстоятельства. При этом экспертной системой во внимание принимаются наиболее значимые факторы, такие как точность и диапазон измерений, стоимость средств измерений, квалификация обслуживающего персонала и т. д. В результате для определённой производственной задачи, которая описывается конкретными условиями y^оЕ_m , экспертной системой выбирается соответствующий вектор экспертных оценок, ориентированный на решение поставленных условий данной задачи:

( М_i , с ( х (t_о) ) ) = [ (М₁ , с₁ (₁ (t_о) ); … (М_j , с_j (_j (t_o) ) ) ] . (4)

Выражением (4) описываются рекомендуемые способы и средства измерений для решения заданных производственных условий и, кроме того, предлагаются мероприятия для исключения или ослабления негативных факторов производства на достижение необходимой точности измерений.

Условием качественной работы технологических линий современных промышленных и уникальных комплексов является соблюдение требуемой точности геометрической взаимосвязи отдельных узлов, что обеспечивается при монтаже элементов технологического оборудования. Установка машин и агрегатов в проектное положение с заранее заданной точностью может быть осуществлена лишь тогда, когда в пределах этой точности изготавливаются все детали машин и агрегатов и ведутся монтажные работы. Поэтому для конструирования машин и агрегатов, проектирования технологических процессов, выбора методов и средств геодезического обеспечения возникает необходимость в проведении размерного анализа, с помощью которого достигается правильное соотношение взаимосвязанных размеров и определяются допустимые погрешности геодезических измерений.

В диссертации показана последовательность проведения поверочного расчёта на примере плоской размерной цепи (включающей линейные и угловые элементы) для определения номинального размера, допуска и предельного отклонения замыкающего звена по заданным номинальным размерам, допускам и предельным отклонениям составляющих звеньев на основе вероятностного метода, основы которого заложены в работах Н.Г. Видуева, Ю.И. Маркузе, П.И. Барана, А.Н. Сухова, Ю.В. Столбова и др. Выражения для допуска размера и координаты середины поля допуска замыкающего звена (для их представления в «базе знаний» экспертной системы) для нормального закона распределения погрешностей звеньев цепи имеют вид:

д_T (S₀ )= , (5)

. (6)

Выражения (5) и (6) совместно с геометрическими требованиями к точности монтажа элементов технологического оборудования для различных инженерных объектов, выявленные на основе анализа технической, справочной литературы и нормативных документов и внесённые в базу данных экспертной системы - служат основой для расчёта требуемой точности геодезических измерений при выборе оптимального метода и средства измерений.

Установление требуемой точности геодезических измерений является одним из важнейших факторов повышения качества проекта, определения оптимальных трудозатрат на установку оборудования в проектное положение в период монтажа или ремонта. В работе выполнены исследования совместного влияния погрешности измерения и действительного размера контролируемого параметра на результаты контроля на основе вероятностного метода. Показано, что количество неправильно разбракованных контролируемых параметров зависит как от точности геодезических измерений, так и от законов распределения отклонений действительных значений контролируемых параметров. Для реально существующих условий производства и оценки влияния погрешности измерения на результаты разбраковки, установлена связь между погрешностью измерения, вероятностью неправильно принятых контролируемых параметров m, вероятностью бракования годных контролируемых параметров n и вероятностной величиной выхода размера за границу поля допуска С у неправильно принятых контролируемых параметров в соответствие с работой Н.Н. Маркова. На рисунке 3 представлен характер кривой распределения отклонений контролируемых параметров, рассортированных с определённой погрешностью. Решение поставленной задачи осуществлялось по методике профессора Б.А. Тайца нахождением композиционного закона для двух законов нормального распределения отклонений контролируемых параметров со смещёнными центрами группирования. Отметим, что в нашем случае это решение необходимо с целью уточнения численных значений фактора «точность» и получения значений границ интервалов для различных категорий контроля при дальнейших исследованиях (см. раздел 3).

Рисунок 3 - Влияние погрешности измерения на рассортировку

Построены графики функциональной зависимости для определённых соотношений между контролируемым допуском д_Т и фактическим рассеянием у_тех. погрешностей контролируемых параметров; получены расчётные данные погрешностей для геодезического метода измерений. В таблице 1 представлены установленные автором интервалы погрешностей геодезического метода измерений для различных категорий контроля (полученные в результате исследований на основе полного факторного эксперимента), предельные количества неправильно принятых и забракованных контролируемых параметров (прописанные в «базе знаний» экспертной системы), которые служат для определения требований в отношении погрешности геодезических измерений при назначении соответствующей категории и метода контроля для различных по назначению и ответственности технологических линий инженерных объектов с применением экспертной системы.

Особенностью сегодняшней ситуации является тот факт, что технологическое оборудование основных производственных фондов многих инженерных объектов сильно устарело и изношено, а это вызывает необходимость модернизации и замены элементов оборудования в существующих условиях действующих предприятий, и очень часто, в условиях предаварийных ситуаций. В этом случае действительные контролируемые геометрические параметры близки к своим предельным значениям, а ошибки измерений направлены к переходу действительных размеров за границы поля допуска.

Таблица 1- Погрешность геодезического метода, предельные количества неправильно принятых и забракованных контролируемых параметров

Относ. погреш. геод. метода, % А мет.=	Количество неправильно принятых контр. парам. m в %	Количество неправильно бракован. контр. парам. n в %
	Нормальный закон	Существенно-полож. величин	Нормальный закон	Существеннополож. величин
10	0,98	0,73	1,34	1,03
15	1,55	1,24	2,06	1,54
20	2,10	1,61	2,84	2,03
25	2,64	2,05	3,54	2,51
30	3,15	2,52	4,45	3,01
35	3,64	2,83	5,35	3,63
40	4,13	3,32	6,18	4,22
45	4,53	3,63	7,08	4,73
50	5,05	4,04	8,11	5,31
60	6,12	4,80	9,10	5,9

Результат измерения, содержащий случайную погрешность измерения параметра вблизи границы поля допуска, приводит к неопределённости оценки действительного значения контролируемого параметра, не позволяя судить, находится ли контролируемый параметр в границах поля допуска или нет. Поэтому точность измерений должна повышаться по мере приближения значения контролируемого параметра к границе поля допуска. Данная идея была высказана ранее в работах Ю.П. Гуляева, К.С. Галиева, Т.Т. Чмчяна для назначения точности геодезического контроля при исследовании деформаций инженерных сооружений и использована в диссертации при назначении точности геодезических измерений для случаев аварийного состояния оборудования, нарушениях технологического процесса, большого брака выпускаемой продукции. В результате исследований установлено, что чем ближе математическое ожидание М(х) значений контролируемого параметра к границе допуска д и чем больше при этом зона рассеяния значений контролируемого параметра, тем точнее следует производить измерения (с меньшим значением у_е) для сохранения заданного уровня достоверности измерения. Получены функциональные зависимости между вероятностью Р_вз верного заключения от среднеквадратического отклонения у_е и величины зоны рассеяния (рисунок 4). Для заданного необходимого уровня вероятности верного заключения Р_вз получены требуемые точностные характеристики измерений в зависимости от положения интервала ожидаемых значений внутри поля допуска. Окончательные результаты обобщены в таблице 2 и представлены в виде следующей рабочей формулы:

у_е = k (д - М(х)) , (7)

где у_е - средняя квадратическая погрешность измерения контролируемого параметра; ? = д - М(х) - разница между допустимым значением поля допуска д и наиболее вероятным значением М(х) контролируемого параметра к моменту измерения; k - коэффициент, выбираемый из таблицы 2 в зависимости от требуемого уровня достоверности измерения Р_вз. и степени рассеяния значений контролируемого параметра .

Таблица 2 - Значения коэффициента k при различной достоверности результатов измерения и степени рассеяния контролируемого параметра

Относительная величина рассеяния параметра	Значения коэффициента k при различной достоверности измерения Рвз.
	Рвз.= 0,95	0,96	0,97	0,98	0,99	0,997
0	0,60	0,57	0,53	0,49	0,43	0,36
0,6	0,57	0,53	0,49	0,44	0,38	0,30
0,9	0,53	0,48	0,43	0,38	0,31	0,20
1	0,51	0,46	0,41	0,35	0,27	0,15

Рисунок 4 - Исследование влияния: а) функциональной зависимости вероятности принятия верного заключения Р_вз от среднеквадратического отклонения у_е; б) функциональной зависимости Р_вз от относительной величины при различных значениях .

В третьем разделе «Теоретические положения решения задачи оптимизации геодезического контроля на примере монтажа технологического оборудования» представлены теоретические положения основных направлений оптимизации. Рассматриваемая модель системы геодезического контроля геометрических параметров технологического оборудования (СГК_ГП) определена через функцию F_гк , вход Х_гк , выход Y_гк , структуру S_гк и связь с внешней средой Н_гк :

СГК_ГП = { F_гк , Х_гк , Y_гк , S_гк , Н_гк }. (8)

Структура системы геодезического контроля S_гк представлена в виде совокупности самих элементов геодезического контроля N_гк , свойств этих элементов C_гк и взаимосвязей элементов E_гк :

S_гк = {N_гк , C_гк , E_гк } , (9)

Где

N_гк = {n _i }; C_гк = {C_гк ( n _i ) }; E_гк = { E_гк ( n _i , n _j ) } . (10)

Элементами СГК_ГП являются: О_к - объекты контроля; ГП_к - контролируемые геометрические параметры технологического оборудования; Т_к - точность контроля; М_к - метод контроля; СК_к - средства контроля (геодезические); И_к - исполнители контроля (квалификация); Д_к - документация контроля. Результат взаимодействия элементов системы геодезического контроля рассматривается как процесс геодезического контроля геометрических параметров элементов технологического оборудования, являющийся составной частью процесса технического контроля.

Входами системы геодезического контроля Х_гк служат материальные потоки: сборочные единицы элементов оборудования (Э_о), управляющая документация на проведение контроля (ТДК_у), экономические ресурсы (Э_р), характеристики технологических операций монтажа - вероятность правильного выполнения (Р), объём контролируемых элементов (О_э):

Х_гк = {(Э_о), (ТДК_у), (Э_р), (Р), (О_э)}. (11)

К выходам Y_гк отнесены: принятое количество элементов смонтированного оборудования (О_пр.), технологическая себестоимость изделий (С_тех.), вевероятность годности принятой продукции (Р_год.):

Y_гк = {(О_пр.), (С_тех.), (Р_год.)} . (12)

К внешней среде отнесена совокупность технологических операций обработки контрольно-измерительной информации (О_и), факторы производства первого и второго порядка (ФП_1,2), влияющие на уровень качества измерительной информации и возможность применения того или иного метода геодезических измерений.

Функция системы геодезического контроля F_гк рассматривается как предотвращение некачественной сборки и монтажа оборудования на основе проверки соответствия объекта контроля установленным требованиям. Математически F_гк описывается в виде некоторого преобразования входных параметров Х_гк в выходные Y_гк :

F_гк : Y_гк = g [Х_гк , (t) ], (13)

где g - оператор преобразования входных компонент Х_гк в выходные Y_гк , зависящий от параметров (t) функционирования системы.

Критерий К_эф эффективности СГК_ГП задается количественным выражением цели функции системы геодезического контроля и представляет собой некоторый функционал от свойств элементов С_гк :

К_эф = Ф (С_гк ). (14)

К критериям эффективности, определяющим свойства будущего изделия или смонтированного оборудования, отнесены характеристики точности и достоверности контроля; к частным критериям, определяющим экономические показатели - стоимость и трудоёмкость контроля (ТР_к ).

Предложенные автором положения системы геодезического контроля геометрических параметров технологического оборудования в дальнейшем были использованы для разработки модели структурной схемы системы оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования инженерных объектов и формирования концептуальной составляющей S_k поля знаний ЭС (см. раздел 4, рисунок 11).

Сформулирована основная задача оптимизации геодезического обеспечения, заключающаяся в выборе таких методов, средств и методики геодезических измерений, которые обеспечивают оптимальную точность геодезического контроля в зависимости от вида и условий функционирования технологического оборудования инженерного объекта при минимальных затратах (по стоимости и трудоёмкости).

Предметы оптимизации геодезического контроля.

Степень ответственности контроля - категория контроля (1 категория - повышенный контроль; 2 категория - нормальный; 3 категория - пониженный; 4 категория - ослабленный). К различным технологическим линиям и их составным узлам предъявляются неодинаковые требования в отношении качества, точности монтажа, степени надёжности и которые определяются в зависимости от назначения технологических линий и последствий их отказов в работе (социальных, экономических, экологических). Категории контроля в диссертации устанавливаются на основе разработанных автором признаков назначения категории и методов контроля в результате всестороннего анализа факторов, характеризующих технологическое оборудование инженерных объектов:

- назначение промышленного оборудования (крупногабаритное оборудование основного производственного или вспомогательного назначения);

- уровень надёжности оборудования, установленный в процессе проектирования на основании требований ГОСТов, СНиПов, требований «Норм технологического проектирования» (наивысшего и высокого уровня надёжности; среднего уровня, эксплуатируемого в сложных режимах работы; низкого уровня надёжности);

- учёт ответственности оборудования характеризуемый экономическими, социальными и экологическими последствиям их отказов;

- положений Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997, № 116-ФЗ;

- научного значения для фундаментальных исследований и обороноспособности страны и т. п.

Метод контроля - вид контроля. По управляющему воздействию на ход производственного процесса различают пассивный и активный методы контроля, а по объёмной характеристике - сплошной и выборочный. Неверный выбор категории или метода контроля существенно влияет на достоверность результатов контролируемых параметров, объём контроля, сроки и стоимость геодезических работ. Синтез вышеприведённых понятий: категория и метод контроля - позволил определить перечень входных факторов для модели системы оптимального выбора методов и средств геодезического обеспечения монтажа технологического оборудования (см. рисунок 6).

Число контролируемых параметров - общим правилом оптимизации остаётся назначение минимально возможного количества контролируемых параметров при обеспечении качества изделий и заданной надёжности. Часть контролируемых геометрических параметров использована из ГОСТ 16504-81, другая - предложена автором; все контролируемые параметры внесены в базу данных ЭС и служат основой для построения SQL-запросов на выборку.

Влияние производственных и внешних условий - их воздействие на измерительное средство различно. Ставилась задача оценки «выходного качества» измерительного средства при его использовании в различных производственных условиях. Решение выполнялось при условии, когда у исследуемого средства измерения имеется целый набор частных критериев, задаваемых поддающимися измерению или учёту переменных: х⁽¹⁾, х⁽²⁾, х⁽³⁾,…, х^(р) - входных переменных, а обобщённая сводная характеристика f является латентной, т. е. не поддаётся непосредственному количественному измерению. Для решения задачи использовалась целевая функция обобщённого свойства, предполагающая любое преобразование вида: ц(х⁽¹⁾, х⁽²⁾, х⁽³⁾,…, х^(р) ) = ц(Х) и сохраняющая при этом заданное соотношение порядка между анализируемыми средствами измерений О₁, О₂, О₃ ,…,О_n по усреднённым значениям выходного качества, т. е. обладающее таким свойством, что из f (Х_{i 1})? f(Х_{i 2})?f (Х_{i 3})?…?f (Х_{i n}) с необходимостью следует выполнение неравенств ц(Х_{i 1})?ц(Х_{i 2})?ц(Х_{i 3})?…?ц(Х_{i n}) и наоборот. Допущение о наличии определённой шкалы в измерении единого сводного показателя играет чисто вспомогательную роль и нацеливает только на поиск, связанный с выявлением этой шкалы, т. е. с помощью функции f(Х) можно производить сравнительную оценку качества. Исходные данные для построения единого сводного показателя «эффективности качества» для отдельного средства измерения, на основании которых оцениваются параметры целевой функции, состоят из двух частей: статистической и экспертной.

Статистическая часть исходных данных - это входные переменные х⁽¹⁾, х⁽²⁾, х⁽³⁾,…, х^(р), которые поддаются непосредственному учёту для каждого средства измерений - точность и диапазон измерений и которые внесены в базу данных экспертной системы для каждого средства измерений.

Экспертная часть исходных данных получена в результате организованного опроса экспертов в данной предметной области и соответствующей обработки экспертных оценок. Для различных инженерных объектов и, соответственно, характеризующих их различных производственных условий, были получены от экспертов балльные оценки для различных геодезических методов. В качестве инженерных объектов взяты: ускорители заряженных частиц; тепловые и атомные электростанции; предприятия авиа-\ судостроения; антенные комплексы и крупные радиотелескопы; крупные гидроузлы; промышленные конвейеры тонкой технологии; металлургические и цементные заводы. Для характеристики производственных условий выбраны следующие параметры: наличие видимости между контролируемыми точками (насыщенность технологической линии оборудованием); количество одновременно контролируемых точек; условия безопасности проведения работ (магнитных полей, радиации); изменение температуры; влияние вибрации от работающего оборудования; влияние турбулентности воздуха; ветровая нагрузка; изменение освещённости и запылённости.

Анализ и обработка экспертных данных выполнена по методу ранжирования. Согласованность мнений экспертов оценивалась по коэффициенту конкордации Кэндела. Вычисленные значения коэффициента конкордации для различных производственных условий составили величину в диапазоне: W = 0,876-0,944, что показало высокую согласованность мнений экспертов. Проверка вычисленных значений коэффициента конкордации на статистическую значимость осуществлена с использованием критерия Пирсона ч². При уровне значимости менее 0,01 коэффициент конкордации показал статическую существенность. Можно считать согласованность мнений экспертов неслучайной, а имеющей некоторую согласованность, например, как показано на рисунке 5. Выражая через q_jk (х_i) оценку i-альтернативы j-экспертом (i = 1, n, j =1, m) для k-производственного параметра; придавая различные веса различным альтернативам в виде коэффициента соотношения между рангами л_jk выраженные через 1\n; учитывая различную компетентность экспертов б_j (0 ? б_j ? 1), получено выражение для итоговой оценки при выборе наиболее оптимального в данных условиях метода измерений:

= . (15)

Рисунок 5 - График согласованности мнений экспертов (производственный параметр - изменение температуры)

Полученные результаты ранжирования шкал упорядоченности геодезических методов и средств измерений и разработанные автором наборы программ в среде MS Axcel, позволяют оперативно вносить изменения в «базу знаний» ЭС и используются для принятия решения экспертной системой. В качестве модели для исследований при выборе оптимальных методов и средств геодезических измерений использована система «черного ящика» (рисунок 6), где входы представляют собой факторы, воздействующие на систему, а выходы - критерий оптимизации.



Рисунок 6 - Модель структурной схемы системы оптимального выбора методов и средств измерений

Для реальных производственных условий осуществлялся одновременный учёт как количественных, так и качественных факторов, принимающих при выборе метода и средства геодезических измерений одно из нескольких значений (уровней). Фиксированные наборы уровней входных факторов (точность контроля, категория контроля, метод контроля, вид контролируемого параметра, квалификация исполнителей, вид отчётной документации, влияние производственных условий, трудоёмкость контроля) определяют все возможные состояния «черного ящика». В качестве параметра оптимизации выбран параметр - эффективность измерительного средства, а надёжность его использования - в качестве ограничения. Для получения численных значений отдельных качественных факторов (квалификация исполнителя, экономические ресурсы и др.) использована функция желательности Харрингтона, устанавливающая соответствие численного значения на основе специально разработанных таблиц. После преобразования частных откликов в частные функции желательности строилась обобщённая функция желательности. Переход осуществлялся по формуле:

...