Математические модели и алгоритмы решения задач в автоматизированных системах диагностирования судовых энергетических установок

Научно-технический прогресс в области комплексной автоматизации судов в течение последних 20 лет определяется достижениями в области электроники и вычислительной техники. Современные тенденции развития средств автоматизации в мировом судостроении характеризуются широким применением микропроцессорных средств, позволяющих существенно повысить безопасность плавания, снизить эксплуатационные расходы, сократить численность судовых экипажей и повысить эффективность использования судов.

В странах наиболее развитого судостроения (Норвегия, ФРГ, Япония, Франция, США и др.), начиная со второй половины 70-хгодов, работы по комплексной автоматизации судов с применением микропроцессорных средств регламентируются субсидируемыми правительствами этих стран общегосударственными программами, имеющими условное название «Судно будущего». В настоящее время большинство этих программ реализовано на 50−60% в конкретных проектах «высокоавтоматизированных судов», предусматривающих их эффективную эксплуатацию экипажем в 12−14 человек.

Основной особенностью этих программ является объединение всех систем управления отдельными технологическими процессами и оборудованием в автоматизированные системы управления (АСУ) судном с распределенной структурой, единой информационной базой и базой данных, выполняющую определенные функции как на борту судна, так и в стратегии его использования судовладельцем.

Создание распределенной АСУ судном с различной функциональной полнотой обеспечивает представление в компактной форме подготовленной информации для эффективного управления судном и контроля состояния оборудования (включая все технологические процессы) одним вахтенным специалистом.

В сентябре 1986 г. Техническим комитетом Международной ассоциации судовладельцев (ИНСА), членом которой является и наша страна, согласованы «Рекомендации по автоматизации судов», предусматривающие реализацию основных положений изложенной концепции.

Уровень автоматизации судов отечественной постройки отстает в настоящее время от передовых зарубежных стран, а Рекомендации ИНСА не находят пока отражения в проектах судов перспективного пополнения. Установленные на отечественных судах средства автоматизации построены на устаревшей разнотипной элементной базе, обладают в основном низкой эксплуатационной надежностью и ремонтопригодностью, имеют высокую стоимость, низкий уровень аппаратурной унификации, что существенно увеличивает эксплуатационные расходы.

Ставится задача ускоренного развития отечественного флота и значительного повышения эффективности его использования.

Стратегический курс решения этой задачи — интенсификация всех производственных процессов на базе ускоренного внедрения новых методов управления большими многосвязными системами.

К основным направлениям интенсификации использования судов относятся:

1.Коренное совершенствование управления флотом. Реализация этого направления должна предусматривать создание и ввод в эксплуатацию интегрированных АСУ «Судовладелец», обеспечивающих возможность оперативного обмена информацией с судами для решения всего комплекса задач оперативного планирования рейсов и др.

Однако сбор, обработка и подготовка к использованию информации о рейсе, грузе, запасах, техническом состоянии оборудования и других факторах при тенденции снижения численности экипажей судов возможен только при автоматизации этих процессов.

2. Повышение качества и эффективности технической эксплуатации судна за счет создания АСУ судна на базе распределенных микропроцессорных систем, имеющих информационную взаимосвязь как на уровне судна, так и на уровне интегрированных АСУ «Судовладелец». При этом должны решаться задачи оптимизации и автоматического контроля расхода топлива, оптимального управления техническим обслуживанием оборудования, автоматизации документирования. Основными составляющими эффекта от применения этих систем является увеличение эффективности использования судна, снижение трудозатрат экипажа, повышение эксплуатационной надежности оборудования и безопасности плавания.

Условием наиболее эффективного использования этих систем является обеспечение информационной взаимосвязи — высокая их интеграция не только на уровне судна, но и включение их в систему анализа информации и принятия решений «судно-берег» .

3. Разработка и освоение новых форм организации труда в процессах управления судном и его технического обслуживания.

Это направление обеспечивается высокой централизацией представления информации о технологических процессах всего судна в едином посту управления, а также качественным совершенствованием берегового технического обслуживания судов в системе АСУ «Судовладелец» .

На основании анализа состояния и перспектив развития отечественного флота, с учетом тенденций мирового судостроения можно определить основные черты концепции автоматизации судов на период до 2010 года.

1. Переход от единого многофункционального однопроцессорного вычислительного комплекса, обеспечивающего управление судовыми технологическими процессами, к распределенным (по функционально-топологическому признаку) микропроцессорным системам, объединенным сетью передачи данных, т. е. к распределенным АСУ. Главными преимуществами таких распределенных структур являются высокая надежность, простота организации связей, возможность быстрого освоения в эксплуатации и гибкого наращивания.

В распределенной АСУ основополагающим принципом ее структурного построения является централизация управления всеми судовыми технологическими процессами с одного поста управления одним вахтенным специалистом (на ходу — с главного поста управления в рулевой рубке).

2. Обеспечение межпроектной и межотраслевой унифификации судовых АСУ.

Применение концепции распределенных микропроцессорных систем позволит построить техническую структуру АСУ судна на единой унифицированной аппаратурной базе с ограниченной номенклатурой комплектующих изделий.

3. Распределенная АСУ судна должна осуществлять взаимосвязанное управление следующими технологическими процессами, выделенными по функциональному признаку: — процессами судовождения (с обеспечением автоматической навигации, адаптивного управления на курсе и маршруте и др.);

— энергетическими процессами (с обеспечением оптимального и адаптивного управления технологическими процессами);

— процессами технического обслуживания (с обеспечением оптимального управления процессами технического обслуживания оборудования на основе технического диагностирования и прогнозирования его состояния);

— грузовыми операциями, якорными и швартовыми устройствами, балластной системой, а также автоматизированный контроль остойчивости, посадки, мореходно-прочностных характеристик и обеспечение безопасности судна;

— процессами административно-хозяйственного и оперативно-диспетчерского управления;

— средствами спутниковой и традиционной радиосвязи;

— специфическими процессами, соответствующими назначению судна.

Остановимся более подробно на задаче управления техническим обслуживанием оборудования судна, как одной из наиболее сложных и наименее разработанных задач.

В настоящее время на морских и речных судах система технического обслуживания строится на планово-предупредительных ремонтах по времени наработки механизмов. Если предположить, что все механизмы одного типа эксплуатируются в одинаковых условиях, за время наработки до технического обслуживания выполнено одинаковое число пусков/остановов и известен закон распределения вероятности времени возникновения определенного дефекта, то, назначая время проведения технического обслуживания в соответствии с правилом За, с вероятностью 0,93 время проведения технического обслуживания занижено, а с вероятностью 0,07 решение о проведении технического обслуживания принято поздно и дефект возник. При этом характерно, что ни машиностроители, ни эксплуатационники не могут обоснованно установить желательные межремонтные периоды, выгодные с эксплуатационной и экономической точек зрения. При этом 50% трудозатрат экипажа морского транспортного судна приходится на техническое обслуживание.

Тенденция сокращения судового экипажа определяет направление решения задачи управления техническим обслуживанием оборудования судна в направлении перераспределения трудозатрат по техническому обслуживанию между судовым экипажем и береговыми предприятиями. При этом судовым экипажем должны выполняться работы по устранению возникших в процессе эксплуатации дефектов, а все регламентные работы должны выполняться береговыми предприятиями.

При такой организации технического обслуживания (ТО) автоматизированная система управления техническим обслуживанием оборудования судна имеет структуру, приведенную на рис. В-1. Основными подсистемами АСУ ТО является:

— подсистема технического диагностирования;

— подсистема учета времени наработки отдельных механизмов ;

— подсистема учета наличия запасных частей и материалов;

— подсистема принятия решения о проведении технического обслуживания;

— подсистема документирования;

— подсистема связи с АСУ «Судовладелец» .

Наличие в АСУ ТО двух первых подсистем объясняется тем фактом, что не все возможные дефекты возможно и экономически целесообразно диагностировать.

Вторая, третья, пятая и шестая подсистемы не требуют значительных научных наработок. Научные наработки, связанные с подсистемой принятия решения о проведении технического обслуживания, должны проводится с учетом судовой специфики. Несмотря на большой поток.

Рис. В-1 Структурная схема АСУ ТО судового оборудования ю рекламной информации о средствах и системах функционального диагностирования судового оборудования, в настоящее время за рубежом серийно выпускаются только отдельные переносные приборы для диагностирования отдельных узлов механизмов. Создание комплексных систем технического диагностирования судового оборудования в целом находится на стадии опытных образцов, проходящих стендовую и эксплуатационную проверку.

В связи с этим настоящая работа посвящена исследованию системы технического диагностирования автоматизированной системы управления технического обслуживания судового оборудования. Основное внимание в работе обращено на диагностирование судовых энергетических установок, как наиболее сложный и наиболее ответственный объект диагностирования. Из всего широкого круга вопросов создания подсистемы технического диагностирования АСУ ТО в настоящей работе рассматриваются вопросы функциональной части, информационного и математического обеспечения подсистемы, актуальность которых очевидна.

В связи с этим, целью диссертационных исследований является разработка математических моделей и алгоритмов решения задач технического диагностирования (определения работоспособности, поиск неисправностей, прогнозирования технического состояния) в автоматизированных системах технического обслуживания судового оборудования в одномерном и многомерном вариантах с оценкой точности принятия решений.

При этом задачами исследований являются:

1) разработка модели и метода определения степени работоспособности элементов судового оборудования, как по отдельному диагностическому параметру, так и по их совокупности;

2) разработка методики определения функциональной полноты подсистемы технического диагностирования;

3) разработка методики и алгоритма информационного обеспечения подсистем технического диагностирования;

4) оценка точности определения степени работоспособности функциональных элементов оборудования в одномерном и многомерном вариантах;

5) обоснование математической модели прогнозирования изменения параметров судового оборудования;

6) экспериментальная проверка прогнозных оценок вероятности технического состояния главного судового дизеля.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

— в методе определения степени работоспособности отдельного функционального элемента непрерывного объекта диагностирования, как по отдельному диагностическому параметру, так и по их совокупности;

— в предложении алгоритма принятия решений о техническом состоянии непрерывного объекта с определением порога ошибок;

— в оценивании функциональной полноты подсистемы технического диагностирования АСУ ТО судового оборудования;

— в определении и алгоритме выбора информационного обеспечения подсистем технического диагностирования;

— в обосновании и апробировании модели и алгоритма прогнозирования изменения технического состояния судовой энергетической установки.

Методы исследования. Теоретической базой и методологической основой проводимого исследования служат методы теории технической диагностики, методы нечетной логики и теории графов, теории надежности, информационных систем, теории случайных процессов и марковских цепей.

Практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы по разработке методов и средств технического диагностирования судового оборудования, а также всероссийской программой «Транспорт России», проводимые в 90-ые годы СПГУВК.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключаются в том, что получены модели и созданы алгоритмы задач технического диагностирования в рамках автоматизированных систем управления техническим обслуживанием судового оборудования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на Международной научно-технической конференции «ТРАНСКОМ-97» (Санкт-Петербург, 1997 г.), Научно-технической конференции НМК-96,98 (г. Санкт-Петербург, СПГУВК, 1996, 1998 г.), кафедральных семинарах, «Диагностический контроль и управление на водном транспорте» (1996;1999г, СПГУВК).

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 6 печатных работах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты.

1. Проанализированы наиболее информативных пять параметров главного судового дизеля с точки зрения их графического представления и первичного статистического анализа по данным измерений, полученным за два года эксплуатации.

2. Предложена модель постепенного изменения параметра СЭУсостоящая из детерминированной и стохастической части. Обосновано и введено неравенство, характеризующее степень деградационного изменения параметра, и доказывающее прогнозируемость его на последующей период эксплуатации судового оборудования.

3. Разработана математическая модель прогнозирования изменения технического состояния судовых энергетических систем путем представления временной эволюции параметров однородной марковской цепью. Предложен алгоритм прогнозирования как для параметрического, так и для вероятностного варианта.

4. Осуществлена экспериментальная проверка алгоритма прогнозирования путем разработки машинной программы позволившей проверить пригодность метода прогнозирования в обоих вариантах по всем пяти параметрам главного дизеля.

В результате выполненных исследований в диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Осуществлен анализ средств технического диагностирования, выпускаемые зарубежными и отечественными фирмами. Выделены основные направления развития СТД и основные вопросы, решаемые при диагностировании СЭУ. Проведена классификация параметров объектов диагностирования на функциональные и диагностические, стационарные и нестационарные. Перечислены основные задачи технического диагностирования и приводится программа проверки работоспособности ОД. Анализируются объекты диагностирования по уровню сложности и приводятся классификации диагностических моделей.

2. Разработана методика принятия решения о состоянии ОД на основе введенных показателей и предложенных формул для вычисления ошибок в принятом решении. Предлагаемая методика основывается на логических отношениях между диагностическими признаками и дает менее пессимистическую оценку ошибок принятия решения учитывающую структурные свойства объекта диагностирования.

Получено выражение, дающее пороговое значение показателей точности, являющиеся оптимальным по критерию минимума затрат (минимальное значение максимального риска принятия решения).

3. Предложены алгоритмы определения степени работоспособности объекта диагностирования, как по отдельному диагностическому признаку, так и по совокупности ДП. Сформулированы требования к степени работоспособности, как к функциональной зависимости и предложено выражение для ее вычисления. Кроме того, для многопараметрического случая для оценивания степени работоспособности ОД предложен класс обобщенных диагностических показателей. Обобщенные модели ОДП представляют собой нечеткие конъюнкции степеней работоспособности по отдельным диагностическим признакам. Исследованы свойства ОДП и основным из них является — сокращение объема диагностической информации необходимой для анализа оператором АСУ ТО. Произведена оценка точности определения степени работоспособности.

4. Сформулирована и решена оптимизационная задача по определению функциональной полноты подсистемы технического диагностирования АСУ ТО судового оборудования. В качестве критерия оптимальности принят критерий минимизации технико-экономических потерь, связанных с затратами на техническое обслуживание, последствиями дефектов и стоимостью подсистемы технического диагностирования. Задача относится к задачам целочисленного программирования, и в результате ее решения определяется перечень диагностических признаков (информационное обеспечение подсистемы), позволяющий обнаруживать и локализовать, определенные в процессе процедуры оптимизации, дефекты (функциональная полнота подсистемы). Предложено использовать в качестве процедуры оптимизации стандартный метод «ветвей и границ» .

5. Предложен подход (для вновь разрабатываемых объектов диагностирования), оптимизирующий информационное обеспечение подсистемы технического диагностирования при заданном перечне диагностируемых дефектов. Формализованы условия полноты множества диагностических признаков. При необеспечении условий полноты, либо расширяется число диагностических признаков, либо уменьшается перечень обнаруживаемых дефектов. При наличии избыточности, часть признаков удаляется без нарушения информационной полноты описания дефектов. В задаче оптимизации условия полноты являются ограничениями, а целевой функцией — сложность системы (минимальное количество диагностических признаков).

6. Предложена эвристическая процедура выбора оптимального набора диагностических признаков, основанная на информационных оценках. На первом этапе этой процедуры определяется оптимальный набор признаков локализации дефектов, а затем оптимальный набор признаков обнаружения дефектов. Предложена также модель наблюдения различных событий с передачей информации в центр.

7. Предложена модель изменения параметров ОД во времени с детерминированной и стохастической составляющей. Введено неравенство, позволяющее классифицировать параметры по признаку прогнозируемости (постепенные отказы). Перечислены отдельные модели постепенных изменений диагностических признаков, отбираемых для целей прогнозирования.

8. Разработана математическая модель прогнозирования, использующая представление изменения параметров СЭУ в виде однородной марковской цепи и позволяющей получать прогноз, как по значениям параметров, так и по вероятностям технических состояний.