Деградационное представление объекта диагностирования в концептуальной модели

Размещено на http://allbest.ru

4

Тихоокеанский государственный университет

Деградационное представление объекта диагностирования в концептуальной модели

В.В. Воронин, д-р техн. наук

Хабаровск

Аннотация

Анализируется и описывается в фреймовой нотации деградационное представление технического объекта диагностирования (ОД), которое входит составной частью в перечень необходимых знаний для диагностической экспертной системы (ДЭС).

Предлагается деградационное представление охарактеризовать двумя фреймами - техническим ресурсом ОД и его ремонтной историей. В работе раскрывается возможное содержание первого из этих фреймов.

Ключевые слова: объект диагностирования, деградационная модель, ресурс, система технического обслуживания, экспертная система, концептуальная диагностическая модель.

Введение

В самом общем случае диагностическая деятельность подразумевает наличие объекта деятельности - объекта диагностирования, субъекта диагностической деятельности и их внешнего окружения. Наличие, состояние и особенности указанных элементов будем характеризовать понятием «диагностическая ситуация» [1]. Описание возможных диагностических ситуаций - отправная точка процесса разработки концептуальной модели для последующего проектирования базы данных и базы знаний диагностических экспертных систем.

В конкретной диагностической ситуации участвует конкретный экземпляр ОД. Этот экземпляр является носителем текущего технического состояния, которое в рамках решаемой диагностической задачи предстоит определить. На этапе эксплуатации в рамках задачи поиска дефектов в перечень необходимых знаний, кроме структурной организации ОД и множества его возможных дефектов, следует включить «исторические», или деградационные знания, а именно: ресурс и ремонтную историю. Этот перечень доминирует процесс построения алгоритма поиска дефектов.

Вопросам использования знаний о деградационных процессах в диагностических приложениях уделяется достаточно большое внимание. Они дифференцированы по классам объектов диагностирования. В [2] обобщены результаты исследований по разработке универсальной деградационной модели, пригодной для прогнозирования процесса изменения параметров, характеризующих техническое состояние энерго-механического оборудования горных машин.

В работе [3] предлагается оценка степени эксплуатационных повреждений наиболее нагруженных и ответственных узлов и деталей, а также прогноз их возможных изменений на предстоящий период эксплуатации судового энергетического оборудования.

В статье [4] сформулирован подход, который позволяет оценивать число циклов нагрузки, превышающих установленные по кривой усталости пороги количественных характеристик технического состояния подшипниковых опор роторных систем газотурбинных двигателей, в зависимости от накопленной ударной нагрузки.

В [5] предлагается метод оценки эксплуатационных повреждений и отказов деталей трансмиссии автомобилей, основанный на зависимостях их долговечности от механических характеристик материала и уровня действительных воздействий, обусловленных режимами работы автомобиля.

В данной работе приводятся результаты исследования обобщающего подхода, который обеспечивает возможность формального учета знаний о характеристиках деградационных процессов в концептуальной диагностической модели.

Постановка задачи

В большинстве диагностических экспертных систем недостаточно полно отражается зависимость эффективности диагностических процедур от особенностей системы технического обслуживания ( СТО).

В работе [1] предложено включить в концептуальную диагностическую модель такую зависимость в форме Фрейма ТЕХНИЧЕСКОЕСОСТОЯНИЕ (Х) с взаимозависимыми слотами и их значениями (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент схемы концептуальной диагностической модели.

Основная задача данной работы - исследовать и раскрыть содержание слота Деградация концептуальной диагностической модели в части описания в принятой нотации фрейма РЕСУРС(Х) для текущего экземпляра объекта диагностирования.

Ресурсные характеристики объекта диагностирования

Внешнее представление объекта диагностирования, характеризуемое внешними диагностическими показателями (рис. 1), и его структурные представления (иерархическое, функциональное и конструктивное) не учитывают явно изменения свойств объекта во времени.

В теории надежности, в частности, в технической диагностике фактор времени является независимой переменной деградационных процессов.

Одни характеристики деградационного представления ОД в ДЭС могут быть описаны временными надежностными показателями [6], заданными на всем эксплуатационном отрезке.

Другие, - например, текущий моторесурс ОД - должны быть представлены в ДЭС явно [7].

В медицинской диагностике фактор времени всегда учитывается как в практической [8], так и в научной деятельности [9]. Здесь время присутствует в виде следующих терминов: период динамики, фаза течения заболевания, история болезни, история жизни и др.

В историческом плане важно различать понятия состояние ОД и техническое состояние ОД. диагностический экспертный дефект ремонт

Термин состояние ОД характеризует «кратковременную» память технического объекта относительно входных воздействий в текущий эксплуатационный момент, а термин техническое состояние - "долговременную" память ОД относительно входных воздействий различного типа на всем предыдущем временном отрезке эксплуатации.

Как связаны сущности, отражаемые терминами «состояние» и «техническое состояние»?

Опыт эксплуатации технических объектов позволяет сформулировать суждение о том, что они взаимозависимы.

С одной стороны, изменение технического состояния изменяет качество процесса функционирования, с другой стороны, процесс функционирования - это одна из движущих сил деградационных изменений.

Чем "хуже" техническое состояние ОД, тем "ниже качество" процесса функционирования, а чем "ниже качество" функционального процесса, тем ощутимее его влияние на характер изменения технического состояния.

Данный цикл взаимовлияния характеризует внутренние причины деградации объекта диагностирования в дополнение к внешним причинам (эксплуатационная нагрузка и негативное влияние среды). Термин «состояние» имеет смысловую нагрузку как понятие функционального состояния. Функциональное состояние - это характеристика процесса функционирования, а техническое состояние - характеристика деграда- ционного процесса.

Данное функциональное состояние при эксплуатации может повториться многократно; данное техническое состояние на этом отрезке объективно не повторяется, но субъективно его можно повторить при соответствующем воздействии со стороны СТО.

Таким образом, термин "техническое состояние" отражает два момента. Во-первых, степень деградации или позиционирование данного экземпляра ОД на деградационной шкале - внутри отрезка времени, соответствующего периоду эксплуатации.

Во-вторых, текущее множество дефектов данного экземпляра ОД или его позиционирование в пространстве неисправных состояний.

В практических приложениях [4, 6, 10 -12] принято позицию ОД в отношении деградационных процессов описывать термином «технический ресурс» (назначенный, остаточный или критический ресурс). В концептуальной диагностической модели этот термин представлен фреймом РЕСУРС(Х), параметр которого Х соответствует текущему экземпляру ОД.

На рис. 2 представлены результаты раскрытия семантического содержания данного фрейма.

Современные технические ОД в своем большинстве относятся к классу сложных систем, в конструктивное представление которых входят тысячи и десятки тысяч элементов, имеющих существенный разброс в показателях долговечности. Получить формальное описание процесса изменения технического ресурса таких объектов, включающее все его элементы, практически невозможно.

Рис. 2. Деградационное представление ОД.

Выходом из данной ситуации является простое и очевидное предложение научно-технического сообщества [3 - 5,10,13] - целесообразно выделить наиболее критичные (с точки зрения долговечности) один или несколько элементов и произвести оценку суммарного воздействия на них внутренних и внешних нагрузок во времени.

Обычно такие элементы в научных публикациях называют наиболее нагруженными и ответственными узлами, или ресурсоограничивающими блоками. Назовем такие блоки доминантами объекта диагностирования.

Следуя общепринятому подходу, включим в Фрейм РЕСУРС(Х) в качестве основного слот Доминанты ОД, значения которого определяет функция ЗАПРОС ДБ(Y), обеспечивающая доступ к ресурсоограничивающему диагностическому блоку Y экземпляра ОД Х, а также Фрейм РЕСУРС_ДБ(Х, Y,r), выходной параметр r которого имеет значение текущего ресурса данного блока.

Следующий слот Фрейма РЕСУРС(Х) - Индикаторы - предназначается для явного фиксирования ситуаций, соответствующих состоянию предельно допустимого ресурса.

Показательным примером индикатора может служить вмонтирование при производстве в различные детали двигателя внутреннего сгорания различных химических элементов, присущих только этим деталям.

Далее по факту появления в картерном масле двигателя того или иного химического элемента фиксируется состояние предельного износа определенной ресурсоограничивающей детали [10].

Значением данного слота является Фрейм ИНДИКАТОР_ДБ(Х,У,і), выходной параметр і которого предназначен для фиксации факта наступления состояния предельно допустимого ресурса.

Последний слот Фрейма РЕСУРС(Х) - Компенсаторы - предназначается для явного описания возможной существенной особенности ресурсоограничивающего блока, характеризуемой наличием в данном блоке специального механизма, позволяющего в определенных пределах компенсировать накопленную деградацию.

Примером такого механизма служит самокомпен- сация растяжения ремня в процессе функционирования ременной передачи [14]. Значением данного слота является Фрейм КОМПЕНСАТОР_ДБ(Х,У,к), выходной параметр к которого предназначен для оценки степени компенсации накопленной деградации.

Индикаторы и компенсаторы параметров накопленной деградации (износ, коррозия, усталость материала, массоперенос, число циклов нагрузки, превышающих установленные нормы, накопленная ударная нагрузка, вытяжение и др.) имеют существенные особенности в зависимости от класса ОД, и раскрытие содержания соответствующих фреймов в концептуальной диагностической модели должно выполняться для каждого такого класса в отдельности.

В состав Фрейма РЕСУРС ДБ(Х, Y,r) предлагается включить слоты Расчетный, Текущий и Остаточный, соответствующие различным показателям ресурса ресурсоограничивающего блока.

Значение первого слота раскрывается Фреймом МВЗ(х), описывающего множество возможных значений показателя; второго - функцией ЗАПРОС_МД(T,Х^,г, Фрейм МВЗ(х)), которая обращается к модели деградации данного блока с входным параметром Т текущего времени; третьего - функцией SUB (Расчетный(х), Текущий(r)), определяющей значение остаточного ресурса блока.

Фрейм МВЗ(х) определяется двумя слотами, позволяющими задать единственное или множественное значение. Первый слот раскрывается фреймами соответствующими или количественной, или качественной, или лингвистической переменным. Второй слот позволяет сформировать множественный показатель в виде некоторой структуры.

В случае лингвистической переменной вызывается функция ЛИНГВИ- СТИЧЕСКАЯ(Фрейм НМ(х,у)) с параметром в виде фрейма, соответствующего нечеткому множеству, которое описывается определенным базовым множеством и заданной функцией принадлежности.

На рис. 2 осталось не раскрытым содержание функции, позволяющей вычислить текущий ресурс для определенного диагностического блока. Анализ возможного подхода к описанию этой функции дается в следующем разделе.

Модель накопленной деградации ресурсоограничивающего блока

В настоящее время в связи с повсеместным внедрением современных информационных технологий наметилась тенденция повышения культуры эксплуатации и дисциплины технического обслуживания. Это справедливо и в отношении диагностических задач.

Появилась возможность реализации научно обоснованной стратегии управления деградационными процессами индивидуального экземпляра объекта диагностирования. Как следствие, данная возможность должна быть отражена в концептуальной диагностической модели, и на рис. 2 начальная точка такого отражения представлена функцией ЗАПРОС_МД(T,X,Y,r, Фрейм МВЗ(х)), которая обращается к модели деградации данного ресурсоограничивающего блока.

Формально модель накопления деградации для различных блоков предлагается хранить в двух вариантах.

Первый вариант - в табличной форме (числовые или описательные значения для каждого определенного отрезка эксплуатационного времени), по значения входного параметра Т определяется отрезок времени, далее - соответствующее значение текущего ресурса.

При этом всему отрезку периода эксплуатации [x_min, x_max] поставим в соответствие конечное множество V={vj , v₂ ,...,v_n}. Число n элементов этого множества определяется числом отрезков, полученных разбиением исходного отрезка (рис. 3).

В простейшем случае значение каждого элемента v_i можно задать равенством Vi = i.

Рис. 3. Число отрезков, полученных разбиением исходного.

Такое преобразование входного параметра можно выполнить, вычисляя значение следующей функции

где 1(z) - единичная функция, такая, что при z < 0, 1(z) = 0; при z > 0, 1(z) = 1; x_i-1. Xi - нижняя и верхняя соответственно границы i-го отрезка разбиения исходного интервала [x_min. x_max] (рис. 3). Функция (1) равна номеру отрезка разбиения, если значение входного параметра находится внутри этого отрезка.

Таким образом, входной параметр принимает целые значения от 1 до п, по которым из хранимой таблицы выбирается соответствующее значение (числовое или описательное) текущего ресурса.

Второй вариант - в аналитической форме (определенный интеграл с верхним переменным пределом), значение Т подставляется на место верхнего предела, и вычисленное значение интеграла определит прямой показатель текущего ресурса R(T) данного блока.

где переменная s имеет смысл источника деградации; H(s) - чувствительность прямого показателя текущего ресурса к источнику деградации.

В общем случае накопленная деградация определяется внутренними и внешними источниками. Внешние источники характеризуют эксплуатационную нагрузку и эксплуатационную среду (см. рис. 1).

Внутренние источники - контур взаимовлияния функционального и технического состояний (см. преамбулу к предыдущему разделу).

Поэтому подынтегральное выражение в формуле (2) логично представить в виде трех частей, введя понятия чувствительности ресурса к эксплуатационной нагрузке, к эксплуатационной среде и к возможным неисправным техническим состояниям.

В простейшем варианте эти чувствительности можно объединить в выражении (2) по аддитивному принципу.

В качестве примеров прямых показателей ресурса можно привести следующие простые физические величины: уровень содержания продуктов износа в масле, число циклов нагрузки, превышающих установленные по кривой усталости пороги, параметры накопленной ударной нагрузки, параметры виброускорений, параметры усталостных трещин материала, геометрические параметры износа, параметры коррозии, параметры растяжения гибких передач и др.

Примером сложного показателя может служить аналитическое выражение, включающее процентное содержание ферромагнитных частиц в масле и значение максимальных амплитуд виброускорений [15]. Чаще других сложных показателей ресурса используют уравнения множественной регрессии.

Заключение

В данной работе предложен фрагмент концептуальной диагностической модели, включающий характеристики деградационного представления объекта диагностирования, которые планируется учитывать в разработках диагностических экспертных систем.

Диагностическая экспертная система - это инструмент, который помогает субъекту диагностической деятельности обоснованно принять решение о текущем техническом состоянии ОД. Поэтому база знаний экспертной системы с необходимостью должна содержать знания о накопленной деградации за весь предыдущий период эксплуатации [16].

В дальнейших исследованиях планируется раскрыть содержание понятия «ремонтная история» и увязать его с показателями технического ресурса, включая различные классы объектов диагностирования [17].

Понятия ресурса и ремонтной истории, c одной стороны, являются формализмом деградационного представления ОД, а с другой, они характеризуют систему технического обслуживания, одна из основных функций которой - обеспечение эффективности эксплуатационного процесса.

Литература

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

2. Герике П.Б. К вопросу создания универсальной прогностической деградационной модели для энерго-механического оборудования горных машин // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2017. - № 2. - С. 72-81.

3. МясниковЮ.Н., НикитинВ.С., Равин А.А., Хруцкий О.В. Методы прогнозирования технического состояния судового энергетического оборудования // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2018. - № 4 (386). - С. 117-132.

4. Охтилев М.Ю., Хименко В.И., Коромысличенко В.Н., Ключарев А.А., Зубко А.И. Мониторинг прецессии роторных систем газотурбинных двигателей и оценка состояния межроторных подшипников // Проблемы региональной энергетики. - 2018. - №1 (36).С. 12-25.

5. АубекеровН.А., АубекероваЖ.Н., Сунгатоллакызы А., СагынбековаА.А. Индивидуальное прогнозирование отказов деталей автомобиля с учетом действительных режимов их работы // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований.

- 2018. - № 1. - С. 16-20.

6. Керученко Л.С., Мальцева Е.И. Использование статистических методов для оценки предельного содержания продуктов износа в моторных маслах // Вестник Омского государственного аграрного университета. - 2016. - №1 (21). - С. 255-260.

7. ИшметьевЕ.Н., Чистяков Д.В., Панов А.Н., БодровЕ.Э. Автоматизированная система измерения зазоров в подшипниках качения // Электротехнические системы и комплексы. - 2017. - №2 (35). - С. 61-66.

8. КрупчатниковР.А., Мишустин В.Н., АртеменкоМ.В., ДобровольскийИ.И. Методы диагностики и факторы риска прогноза тромбоэмболии в системах поддержки принятия решений // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: «Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение». - 2017. - Т. 7, № 1 (22). - С. 69-81.

9. Каменев А.В., Клещев А.С., Черняховская М.Ю. Логическая модель причинно-следственных отношений различных типов в области медицинской диагностики: Препринт / ИАПУ ДВО РАН. - Владивосток, 2003.

10. Ревякин М.М. Реализация назначенного ресурса двигателя путем контроля условий эксплуатации по параметру удельного химмотологического показателя моторного масла // Агротехника и энергообеспечение. - 2017. - № 2 (15). С. 62-67.

11. Викторов Н.А., Кириленко Н.М. О сроках технического диагностирования и ресурсе технологических трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. - 2011. - № 5. - С. 54-57.

12. Кузнецов А.А., Пономарев А.В., Мешкова О.Б., Бучельникова О.С. Возможности приборов лиэс для определения коррозионного состояния железобетонных конструкций при длительной эксплуатации // Современные наукоемкие технологии. - 2015. - № 12-4. - С. 610-614.

13. Марусин А.В., Данилов И.К., Успенский И.А., Кокорев Г.Д., Шемякин А.В., Терентьев В.В. Анализ и обоснование разработки диагностического устройства топливной аппаратуры автотракторных дизелей // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2017. - № 3 (35). - С. 102-106.

14. Мечкало Л.Ф., Мечкало А.Л. Ременные передачи - реальность и возможности // Агро- СнабФорум. - 2016. - № 4 (143). С. 26-30.

15. Мозгалевский А.В., Тарасенко В.И., Костанди Г.Г. Автоматизация процессов диагностирования при технической эксплуатации автомобилей. - Хабаровск: Изд-во ХПИ, 1982.

16. ГаскаровД.В., СтрогановВ.И., ФранцевВ.И. Системы прогнозирования на экспертной основе. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002.

17. Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. Диагностирование непрерывных динамических систем с использованием смены позиции входного сигнала // Информатика и системы управления. - 2016. - № 2. - С. 91 -96.

Размещено на Allbest.ru