Содержание к диссертации
Введение
1. Программированная эксплуатация корпусов судов и научное сопровождение
1.1. Методологические аспекты программированной эксплуатации промыслового флота
1.2. Особенности объекта программированной эксплуатации и задачи научного
сопровождения 23
1.3. Принципы построения и классификация систем автоматизации научных исследований 28
2. Исследование структуры автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом и взаимодействия с программированной эксплуатацией 37
2.1. Автоматизированная подсистема управления научным экспериментом как структурная единица АСУ процессами технического обслуживания и ремонта 37
2.2. Синтез функциональной структуры подсистемы 43
2.3. Структурная модель автоматизации экспериментальных исследований 51
3. Разработка обеспечивающей части автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом 60
3.1. Исследование структуры информации о техническом состоянии объекта ПЭ 60
3.2. Алгоритм и реализация информационно-справочных функций 1-го уровня автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом 65
3.3. Специальное программное обеспечение 2-го уровня автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом 74
4. Разработка типовых средств автоматизации экспериментальных исследований в задачах программированной эксплуатации корпусов судов 82
4.1. Исследование и разработка устройств автоматизации статических испытаний судовых конструкций 82
4.2. Методы и средства автоматизации натурных испытаний корпусов судов 102
4.3. Автоматизация ресурсных стендовых испытаний 114
Выводы 124
Литература 126
Приложения 136
- Методологические аспекты программированной эксплуатации промыслового флота
- Автоматизированная подсистема управления научным экспериментом как структурная единица АСУ процессами технического обслуживания и ремонта
- Исследование структуры информации о техническом состоянии объекта ПЭ
- Исследование и разработка устройств автоматизации статических испытаний судовых конструкций
Введение к работе
В материалах ХХУІ съезда КПСС в качестве главной цели поставлена задача повышения материального благосостояния советского народа. На отрасль рыбной промышленности возлагается задача обеспечения населения страны белковым продуктом, причем в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" в качестве контрольных цифр указывается увеличение товарной пищевой рыбной продукции на 10-12 процентов*
Продовольственная программа, принятая на Пленуме ЦК КПСС в мае 1982 года, предусматривает меры по увеличению добычи рыбы и морепродуктов, повышению производительности промысла и эффектив-ности использования флота рыбной промышленности.
В последнее время во флоте рыбной промышленности, который составляет большую часть основных фондов отрасли, произошли существенные качественные и количественные изменения: увеличение количества судов, проектируются суда новых типов с высокими технико-экономическими показателями. Кроме того, осваиваются новые районы промысла и новые виды морепродуктов. Однако, наряду с этим существуют объективные трудности, связанные с динамикой изменения сырьевой базы, ухудшением промысловой обстановки с введением 200-мильных зон в период 1976-1977 гг. всеми прибрежными государствами. Существенным фактором является также увеличение среднего возраста судов, что является результатом объективного процесса физического старения судов.
Характерным для текущего периода является переход от экстенсивного ведения рыбного хозяйства к интенсивному: поставленная перед отраслью задача должна решаться без существенного уве- - 5 -личения капитальных вложений за счет внутренних резервов, улучшения организации труда, повышения его производительности. Так, например, плановое количество судосуток на период I979-1985 гг. составляет 796,5 тыс. и остается неизменным, в то время как эксплуатационное время должно возрасти до 1990 г. на 61,3 тыс. судосуток. Это означает, что без изменения количественного состава промыслового флота число судов, находящихся на промысле, должно увеличиться в среднем на 168 единиц.
На решение этой задачи направлена отраслевая Комплексная целевая программа "Ремонт", генеральной целью которой является повышение эффективности использования судов на основе совершенствования технического обслуживания, сокращения объемов и продолжительности ремонтных работ, в том числе за счет рационального расходования и восстановления ресурсов.
Одним из путей решения данной проблемы является методология программированной эксплуатации судов флота рыбной промышленности как подход к оптимизации процессов функционирования объекта по достижению заданных целей. В Отраслевой лаборатории эксплуатационной прочности промысловых судов Минрыбхоза СССР и Институте кибернетики им. В.М.Глушкова АН УССР на протяжении ряда лет ведутся совместные работы в этом направлении.
При системном анализе особенностей эксплуатации промыслового флота в качестве одной из доминирующих подсистем судна по условию безопасности мореплавания и удельного веса затрат на восстановление ресурса в общем объеме ресурса выделяется корпус.
Применение методологии программированной эксплуатации к корпусу судна, с одной стороны, позволяет повысить эффективность эксплуатации судна в целом за счет снижения объемов и сроков ремонта и обоснованного выбора режимов эксплуатации, с другой стороны, вызывает необходимость решения целого комплекса проблем, - б - связанных с совершенствованием управления процессами расходования и восстановления ресурса, определения параметров ресурсной динамики на основании индивидуального подхода к оценке технического состояния.
Необходимо отметить, что применительно к промысловому флоту основы программированной эксплуатации разработаны недостаточно, В частности, необходимы исследования важнейшего аспекта -научного сопровождения и его взаимодействия с этапом эксплуатации.
Реализация принципов программированной эксплуатации корпусов судов предопределяет необходимость разработки и внедрения в рамках автоматизированной системы управления процессами технического обслуживания и ремонта эффективных технических и программных средств сбора, регистрации и обработки информации, организованных в виде подсистемы управления научным экспериментом. В дополнение к традиционным аспектам создания АСУ это требует решения комплекса методических и практических задач с учетом специфики объекта автоматизации.
В этой связи исследования по автоматизации управления научным экспериментом в задачах программированной эксплуатации корпусов судов являются актуальными.
Целью данной работы является исследование и разработка методических, технических и программных компонентов автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом, обеспечивающих повышение эффективности сбора, накопления и переработки информации при организации научного сопровождения и его взаимодействия с программированной эксплуатацией корпусов судов. При этом в диссертации ставятся и решаются следующие задачи: - обосновать необходимость и определить задачи научного сопровождения на основе анализа методологических аспектов програм- - 7 -мированной эксплуатации и особенностей объекта эксплуатации; исследовать функциональную структуру автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом в рамках системы управления техническим обслуживанием и ремонтом, и ее взаиыодей-ствие с программированной эксплуатацией; разработать обеспечивающую часть автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом, включающую в себя внутримашинное информационное обеспечение и программное обеспечение; разработать технические средства автоматизации экспериментальных исследований в задачах программированной эксплуатации, обеспечивающие повышение эффективности прикладных исследований.
Практическая реализация полученных в работе результатов обеспечивает снижение неопределенности при принятии решений в области управления и планирования процессов технического обслуживания и ремонта корпусов судов, а также совершенствование информационного сопровождения программированной эксплуатации. Кроме того, становится более действенной обратная связь этапов эксплуатации и проектирования на основе средств автоматизации сбора и систематизации информации о ресурсной динамике объекта эксплуатации.
Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены методологические аспекты программированной эксплуатации корпусов промысловых судов, на основе анализа особенностей объекта эксплуатации обоснована необходимость и сформулированы задачи научного сопровождения. Анализируются принципы организации и классификация систем автоматизации научных исследований, обеспечивающих повышение эффективности ис- - 8 -следований в задачах программированной эксплуатации*
Во второй главе исследована функциональная часть автоматизированной системы управления техническим обслуживанием и ремонтом, включающей подсистему управления научным экспериментом, как инструментарий реализации принципов программированной эксплуатации. Разработана двухуровневая структура автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом, первый уровень которой обеспечивает сбор, накопление и обработку информации о техническом состоянии элементов корпуса судна, а функциональным назначением второго уровня является автоматизация экспериментальных исследований по оценке параметров ресурсной динамики с учетом индивидуальных особенностей объекта эксплуатации. Предложена структурная модель нижнего уровня подсистемы и на ее основе исследовано функционирование при организации экспериментальных исследований.
В третьей главе разработаны элементы обеспечивающей части автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом. Предложена структура данных, характеризующих элементы корпуса судна, включающая в себя структурные модели двух видов и обеспечивающая хранение как общей для типа судов информации, так и информации об индивидуальном техническом состоянии элементов конкретных судов. Разработаны алгоритм и программное обеспечение двух уровней подсистемы, реализующие информационно-справочные функции по оценке технического состояния корпусных конструкций и автоматизацию экспериментальных исследований в рамках научного сопровождения программированной эксплуатации корпусов судов.
В четвертой главе исследованы и разработаны технические средства автоматизации выделенных классов экспериментальных исследований. Разработаны автоматический быстродействующий тензо-метрический комплекс для изучения напряженно-деформированного - 9 -состояния конструкций и автоматический анализатор случайного процесса для проведения натурных испытаний корпусов судов, исследованы их методические и аппаратурные погрешности, разработаны вопросы автоматизации ресурсных стендовых испытаний*
Выводы содержат обобщение полученных в работе результатов.
В приложениях приведены справочные материалы и тексты программ.
Научная новизна проведенных исследований состоит в том,что на основе комплексного рассмотрения задач программированной эксплуатации и научного сопровождения обоснована необходимость и сформулированы функции автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом в рамках АСУ, реализующей методологию программирования жизненных циклов судов флота рыбной промышленности. Впервые разработана структура автоматизированной подсистемы, алгоритм функционирования, обеспечивающий информационно-справочные функции при организации взаимодействия прикладных исследований и программированной эксплуатации, структурные модели информации о техническом состоянии элементов корпусов судов* Созданы новые технические и программные компоненты автоматизированной подсистемы управления научным экспериментом, а также типовые средства автоматизации, защищенные авторским свидетельством на изобретение, обеспечивающие повышение эффективности прикладных исследований на этапе эксплуатации*
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на УІ НТК Калининградских вузов Минрыбхоэа СССР (Калининград, 1978), I и П НТК "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (Калининград, 1979, 1981); ХХХУП НТК профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов Харьковского авиационного института (Харьков, 1980), УІ объединенном семинаре "Системные методы в программировании жизненных - 10 -циклов объектов новой техники" (Калининград, 1981); НТК профессорско-преподавательского состава Николаевского кораблестроительного института (Николаев, 1981), У Всесоюзной НТК "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Таллин, 1981); школе-семинаре "Аппарат системного проектирования, методы и модели современных САПР" (Киев, 1981); НТК профессорско-преподавательского состава Калининградского технического института (Калининград, 1975-1982).
Исследования по теме диссертации проводились в рамках отраслевой Комплексной целевой программы "Ремонт" раздел 13.01.2 "Разработка динамической системы ТОР корпусов судов на базе изучения прочности конструкций" и темы "Теоретические и экспериментальные исследования прочности конструкций", номер государственной .регистрации 81064675. Годовой экономический эффект от внедрения на Прибалтийском судостроительном заводе "Янтарь" составил 176 тыс. руб. Основные положения диссертации вошли в курс лекций "Динамические системы ТОР" для слушателей Всесоюзного института повышения квалификации руководящих работников и специалистов рыбной промышленности и хозяйства. - II -
Методологические аспекты программированной эксплуатации промыслового флота
Понятие программированной эксплуатации возникло при разработке проектов больших технических систем (БТС), как одной из составляющих общей задачи системного проектирования.
В этом аспекте включение программирования эксплуатации (ПЭ) позволяет доопределить общую задачу системного анализа проектируемой БТС и агрегатировать задачи проектирования Математической основой является как общая теория систем /10,43,84/, так и теория логико-динамических систем /31,32/, возникшая из прикладных задач разработки методов системного проектирования сложных систем управления»
В ПЭ БТС ставится задача упорядочения процессов функционирования объекта по достижению заданных целей 0 G , процессов технического обслуживания и ремонта его подсистем, оптимальных в смысле обеспечения выполнения объектом его прямых функций,
В категориях ПЭ судов флота рыбной промышленности под системной целью G понимается качественное и эффективное удовлетворение общественной потребности - обеспечение населения белковым продуктом при минимальных, объективно необходимых затратах и на основе использования результатов научно-технического прогресса и ограниченных ресурсах Рассмотрим на содержательном уровне объект ПЭ и покажем, что он является сложной системой, или согласно принятой в данной работе терминологией, БТС Системный подход, как методология, возник при исследовании проблем, относящихся не только к свойствам отдельных частей объекта (аппаратуры, оборудования), но и к закономерностям функционирования в целом. Существует много определений понятия "система", сформулированных на разных уровнях абстракции. Приведем одно из них /4/:
Система: множество взаимосвязанных элементов, каждый их которых связан прямо или косвенно с каждым другим элементов, а два любые подмножества этого множества не могут быть независимыми.
Некоторые авторы считают невозможным дать общее определение этой категории с точки зрения построения строгой теории /10/. Мы все же попытаемся выделить те признаки, которые позволяют отнести промысловый флот к классу БТС:
1. Флот в целом характеризуется большим числом объектов (судов) и выполняемых ими функций (добывающие, транспортные, обрабатывающие суда и т.д.). Каждое судно, в свою очередь, состоит из большого числа взаимодействующих элементов, без правильного функционирования которых невозможно достижение целей всей системы. Таким образом, размерность системы велика и каждый элемент нельзя рассматривать в процессе функционирования изолированно.
2. Данная система допускает обоснованную декомпозицию на подсистемы, которые в зависимости от уровня детализации определяют иерархическую структуру. Так, для флота выделяют группы судов по бассейнам, производственным объединениям, базам флота. Каждое судно декомпозируется по судовым системам, агрегатам, узлам и т.д.
3. Выделенные в зависимости от уровня рассмотрения элементы и подсистемы обладают функциональной целостностью и их взаимодействие обеспечивает достижение целей всей системы.
4. Наличие в системе большого числа параллельных динамических процессов, характеризующихся нахождением в одном из возможных микросостояний и переходами из одного состояния в другое.
5. Процесс функционирования в значительной степени зависит от статистически распределенных во времени параметров внутренних процессов и внешних воздействий.
Автоматизированная подсистема управления научным экспериментом как структурная единица АСУ процессами технического обслуживания и ремонта
В программированной эксплуатации корпусов судов одной из важных задач является планирование временных и стоимостных показателей восстановления ресурса конструкций. Принимая во внимание большой объем информации, затруднительно при традиционных методах управления учитывать весь ансамбль факторов, влияющих на эффективность восстановления ресурса корпусных конструкций и охватить при принятии решения весь поток инноваций. Эти задачи должны решаться в АСУ, сопровождающей этап эксплуатации и обеспечивающей в справочном режиме выдачу рекомендаций по ремонту корпусов.
В настоящее время в отрасли действует Комплексная целевая программа (КЦП) "Ремонт", направленная на повышение эффективности использования судов ФРИ. Реализация в рамках этой программы принципов ПЭ возможна лишь при создании и поэтапном внедрении в масштабах отрасли единой динамической системы технического обслуживания и ремонта. При этом автоматизированная система управления технической эксплуатацией флота (АСУТЭФ) рассматривается как важнейший инструмент для обеспечения согласованных по целям, категориям и процедурам обработки данных о функционировании флота на этапах эксплуатации и судоремонта /54/. Основные функции АСУТЭФ:
- совершенствование системы технического обслуживания и ремонта, направленное на непрерывный учет достижений научно-технического прогресса, повышающих надежность и ремонтопригодность судов;
- определение технического состояния судов на основании объективной информации об исчерпании ресурсов элементов;
- оперативное долговременное прогнозирование технико-экономических показателей на основании изменения во времени технического состояния и надежности судов;
- оптимальное планирование использования судов ФИІ;
- оптимальное планирование материально-технического обеспечения.
Функциональная схема АСУТЭФ включает в себя четыре уровня, отражающие существующую структуру административного управления отрасли.
Первые три уровня структуры объединены в информационно-справочную систему, которая выдает рекомендации на соответствующих уровнях управления. На уровне главных управлений министерства система оптимизации технической эксплуатации флота (СОТЭФ) обеспечивает: оптимизацию ремонта судов на судоремонтных предприятиях, анализ экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации судов, планирование развития судоремонтной базы на основе прогнозирования потребностей, формирование заказов на запасные части, оборудование и новые суда.
На уровне ВН10, ПОНІ система оптимизации технического обслуживания и ремонта (СОТОР) обеспечивает информацией по выполнению технического обслуживания и ремонта судов базами технического обслуживания (БТО),
Исследование структуры информации о техническом состоянии объекта программирования эксплуатации
Решение задач технического обслуживания и ремонта корпусов промысловых судов в рамках программированной эксплуатации связано с обработкой большого количества информации, описывающей конструктивные особенности и техническое состояние элементов корпуса.
Рассмотрим структуру данных, характеризующих корпус судна как объект программированной эксплуатации.
При декомпозиции корпуса судна на элементы возможно выделение узлов, типовых элементов, имеющих различное конструктивное выполнение в зависимости от типа судна /7/. Определение ресурсных характеристик элементов корпусных конструкций производится после предварительной подготовки информации на базе следующих оценок:
- оценка технического состояния конструкций по среднему значению коррозионного износа элементов;
- оценка коэффициента вариации ординат профиля изношенной поверхности;
- оценка общей прочности по трем регламентированным Регистром СССР сечениям с учетом фактических износов и повреждений;
- оценка напряженно-деформированного состояния корпуса судна, как статически неопределимой (многократно резервированной) системы по методу конечных элементов с учетом фактических износов и повреждений;
- оценка усталостной прочности характеристических элементов корпуса.
При этом предполагаются известными такие параметры как среднестатистическое значение остаточной толщины, предельное значение средней толщины и строительная толщина однородных элементов в зо-.не; среднее квадратичное отклонение остаточной толщины, средняя скорость коррозионного износа; параметры дефектов элементов (стрелки погиби, площадь вмятины) и их геометрические, конструктивные параметры /14,39/.
Существенным является также необходимость учета связей между различными элементами, поскольку это во многом определяет их вклад в обеспечение общей прочности конструкции корпуса судна.
Исследование и разработка устройств автоматизации статических испытаний судовых конструкций
Наряду с мощными средствами изучения напряженного состояния конструкции на базе лабораторных комплексов, включающих в себя ЦВМ, разрабатывается и находит широкое применение измерительная аппаратура, используемая, в частности, в натурных условиях. Разработка таких средств исторически началась раньше и шла по пути автоматизации измерений и регистрации результатов с последующей обработкой на ЭВМ.
При статических испытаниях судовых конструкций ставится задача определения напряженно-деформированного состояния объекта под действием приложенной нагрузки путем регистрации деформаций и напряжений элементов.
Наиболее широкое применение нашли тензометрические датчики для измерения механических напряжений /18,41,46,67,91/. Этот метод относится к электрическим методам измерения неэлектрических величин и обладает достоинствами, в полной мере удовлетворяющим автоматизации измерений /94/.
Промышленность освоила и начала выпуск измерительных систем, включающих в себя коммутатор, цифровой измерительный прибор и устройство для регистрации, например, К-200, К-484, K-732/I. Однако, внедрение подобных измерительных систем для проведения многоточечных тензоизмерений сдерживается недостаточным количеством точек измерений, малой чувствительностью измерительного прибора.
Ряд организаций продолжает разработку приборов и устройств, специализированных на массовые тензоизмерений. Причем, все они ориентированы на применение ЭЦВМ для обработки результатов измерения. Б ряде случаев осуществляется работа измерительных трактов в комплексе с вычислительной машиной.
