Введение к работе
Актуальность темы. К середине XX столетия серийный выпуск однотипных изделий (технических объектов) в промышленности и на транспорте стал измеряться сотнями тысяч и даже миллионами экземпляров. Применение по назначению столь объемных парков однотипных изделий привело к возникновению такой сферы деятельности как техническая эксплуатация. Техническую эксплуатацию можно определить как совокупность организационных, научных и практических мероприятий направленных на поддержание исправности и готовности к применению однотипных изделий и осуществляемых соответствующими системами технической эксплуатации (СТЭ).
В работе предполагается разделение СТЭ на два вида:
1. СТЭ изделий индивидуального использования. Такая система характерна, например, для
владельцев личного автотранспорта, которые самостоятельно эксплуатируют каждый свою
единицу автотранспорта и по своему усмотрению организуют ее ремонт и техническое
обслуживание. Для этой системы характерно практически полное отсутствие организационных
связей между владельцами автотранспортных средств, что в свою очередь не позволяет ей в
полной мере обеспечить эффективность использования изделий. Поэтому для обеспечения
безопасности эксплуатации приходится вводить в систему искусственные организационные связи,
например, в виде обязательного технического осмотра автотранспорта.
2. СТЭ изделий корпоративного использования. Примерами таких систем являются
эксплуатация газовых центрифуг на предприятиях по обогащению урана, крупные транспортные
компании воздушного, железнодорожного, речного и морского транспорта, военная авиация и т.п.
Достоинством СТЭ корпоративного использования является наличие четко обозначенных
организационных связей, позволяющих обеспечить необходимую эффективность использования
промышленных и транспортных объектов.
СТЭ изделий индивидуального использования относятся к плохо организованным системам, в которых обеспечение эффективности использования промышленных и транспортных объектов представляется достаточно затруднительным. Поэтому в работе рассматриваются только СТЭ второго вида, являющиеся объектом исследования.
В целях обеспечения эффективности использования промышленных и транспортных объектов СТЭ, независимо от вида транспорта и типа промышленных объектов, призваны обеспечить решение трёх основных задач:
полнота и качества выполнения изделиями своих функций по предназначению.
безопасность эксплуатации (для транспортных объектов - безопасность движения);
экономичность эксплуатации.
Обеспечение высокой эффективности и безопасности использования, промышленных и транспортных объектов имеет важнейшее народно-хозяйственное значение, поскольку является одним из основополагающих направлений экономического развития страны. Так, например, в условиях массовой эксплуатации даже незначительное уменьшение затрат на содержание единичного изделия может привести к значительной экономии финансовых средств. И наоборот, в условиях острой промышленной конкуренции любое пусть и незначительное увеличение подобных затрат способно привести к утрате внутреннего и международного рынка сбыта промышленной продукции и, как следствие, большим финансовым потерям.
Для того чтобы конкретный технический объект мог эффективно и безопасно использоваться по назначению СТЭ должна постоянно поддерживать его в работоспособном и готовом к применению состоянии. Этот процесс принято называть управление состоянием технического объекта.
Вопросы управления состоянием технических объектов частично рассматриваются в ряде научных дисциплин, таких как теория надежности в технике, теория структурной надежности, техническая диагностика, испытания на надежность, теория систем массового обслуживания и других.
Повышению эффективности управления состоянием технических объектов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых, таких как А.Е. Акиндеев, А. Авиженис, Е.Ю. Барзилович, Р. Барлоу, И.А. Биргер, В.Г. Воробьёв, В.А. Ведешенков, В.В. Глухов, Б.В. Гнеденко,
В.А. Горшков, А.А. Ицкович, В.Д. Константинов, СВ. Крауз, Ю.Ф. Мухопад, Ф. Прошан, К. Райншке, Е.А. Румянцев, Н.П. Сергеев, И.М. Синдеев, Н.Н. Смирнов, Е.С. Согомонян, В.И Шаманов, T.J. Allan, S. Tolda, Н. Fujiwara, К. Kinoshita, М. Guida, С. Kime, S. Mallela, G.M. Masson, J. Russel, A. J. Truelove и др.
Одной из методологических посылок, на которых основаны многие научные труды, является утверждение о том, что, если в рамках СТЭ осуществлять эффективное управление состоянием каждого технического объекта в отдельности, то и СТЭ в целом будет эффективна. Вместе с тем, теория системного анализа предполагает, что одной из основополагающих закономерностей систем является взаимодействие части и целого (эмерджентность). Эмержентность отрицает применимость редукции к сложным динамическим системам, к которым относится и СТЭ, поскольку сочетание двух или нескольких взаимодействующих элементов любой системы в подавляющем большинстве случаев придает системе новое качество, отличающее систему от простой суммы независимых качеств ее элементов. Исходя из этого, в работе вводится понятие «управление состоянием СТЭ», означающее эффективное управление состоянием множества технических объектов, её составляющих.
Очевидно, что для дальнейшего повышения эффективности и безопасности использования промышленных и транспортных объектов необходимо развитие методов управления состоянием СТЭ. Однако, несмотря на большое количество работ в области управления состоянием технических объектов, методология управления состоянием СТЭ развития так и не получила. Из-за этого до настоящего времени для управления СТЭ применяют преимущественно эвристические модели. Основной причиной этого является неизученность законов функционирования СТЭ.
Для эффективного управления состоянием СТЭ необходимо решить комплекс сложных и актуальных научных задач по фундаментальному исследованию законов функционирования СТЭ и разработке методов управления состоянием СТЭ. Этот комплекс научных задач и составляет проблему разработки методологических основ управления состоянием СТЭ. В силу своей мультидисциплинарности и невозможности решения данной проблемы в рамках существующих теорий она может быть решена только с применением системного подхода.
Целью диссертационной работы является разработка методологических и прикладных основ обобщенной теории управления состоянием СТЭ для повышения эффективности и безопасности применения промышленных и транспортных объектов.
Для достижения цели необходимо решить ряд основных задач:
-
Выполнить анализ проблемы.
-
Разработать классификацию СТЭ.
-
Разработать универсальную переключаемую модель СТЭ.
-
Исследовать законы функционирования СТЭ различных классов.
-
Разработать методы управления состоянием СТЭ на основе законов их функционирования.
-
Оценить эффективность предлагаемых моделей и методов и разработать рекомендации по их практическому применению.
Предметом исследования в работе являются законы функционирования СТЭ и методы управления ими.
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, синергетики, теории вероятностей, математической статистики, теории автоматического управления, цифровой фильтрации, объектно-ориентированного программирования, построения баз данных, статистического моделирования.
Научную новизну составляют и на защиту выносятся следующие результаты работы:
-
Впервые предложена классификация СТЭ по признаку ограничений на систему.
-
Разработана оригинальная универсальная переключаемая модель СТЭ. В ходе ее синтеза были впервые получены:
ресурсный метод моделирования потока отказов;
модель восстанавливаемых изделий с конечным ресурсом;
критерии адекватности универсальной переключаемой модели СТЭ по входу и закону функционирования;
а также предложено аналитическое описание типовой плотности распределения наработки до отказа, отличающееся использованием гамма-распределения для описания плотности распределения наработки до отказа на этапе приработки.
3. Впервые разработана аналитическая модель СТЭ объектов стареющего типа.
4. На основе впервые выполненных исследований законов функционирования СТЭ
разработаны новые критерии эффективности СТЭ по безопасности и экономической
эффективности, а также методы:
назначения оптимального ресурса;
управления состоянием СТЭ при эксплуатации по ресурсу;
оценки величины упреждающего допуска и периодичности контроля при эксплуатации до предотказового состояния.
5. На основе разработанных методов управления состоянием СТЭ были предложены
реализуемые на практике авиационного и железнодорожного транспорта новые методики:
управления состоянием авиационных СТЭ по экономическому критерию эффективности;
управления состоянием авиационных СТЭ по критерию безопасности;
управления состоянием авиационных СТЭ на основе отображения надежности изделий, поставляемых промышленностью;
управления состоянием СТЭ вагонного парка по экономическому критерию эффективности;
- управления состоянием СТЭ автодорожных и железнодорожных мостов.
Достоверность полученных результатов основывается на согласованности теоретических
результатов, полученных с помощью разработанных моделей и методов, со статистическими данными по эксплуатации промышленных и транспортных объектов, а так же на использовании физически обоснованных принципов построения моделей СТЭ и способов обработки данных.
Научная значимость работы состоит в разработке отдельных положений обобщенной теории технической эксплуатации, включающих классификацию СТЭ, фундаментальные исследования законов функционирования, критерии эффективности, модели и методы управления состоянием СТЭ на основе законов их функционирования; в развитии метода статистического моделирования (Монте-Карло), методов моделирования восстанавливаемых и невосстанавливаемых изделий, а также статистических методов обработки экспериментальных данных при решении задач управления состоянием СТЭ.
Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке практических методик управления состоянием СТЭ в авиации, на железнодорожном транспорте и при эксплуатации автодорожных и железнодорожных мостов. Они являются основой для повышения эффективности эксплуатации промышленных и транспортных объектов и, как следствие, снижения экономических, экологических, социальных и др. потерь Полученные в работе результаты научных исследований подтверждены патентами, имеют универсальный характер и могут быть использованы при эксплуатации изделий различного типа и назначения, а также в учебном процессе ВУЗов при подготовке студентов и аспирантов соответствующего профиля.
Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности ОАО «ОКБ Сухого», в Московском ГТУ ГА (Иркутский филиал) и Иркутском ГУПС.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационного исследования докладывались на 3 Международных, 3 Всероссийских, 4 ведомственных (МО РФ), 4 межвузовских конференциях, а также на конференциях ВУЗов: ВВИА им. проф. НЕ. Жуковского, Иркутского ВВ АИУ, МГТУ ГА и ИрГУПС, отражённых в списке публикаций
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликован 101 научный труд из них 19 в периодических изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 9 авторских свидетельств и патентов, подана 1 заявка на патент. Изданы монография и 4 учебных пособия (из них 1 с грифом УМО). В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 90% результатов.
Положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 498 наименований и 8 приложений. Общий объём работы составляет 314 страниц и включает 140 рисунков и 36 таблиц.
