Информационное обеспечение процесса прогнозирования при управлении техническим состоянием судовых конструкций на основе аппарата теории нечетких множеств

Для организации эффективного производственного процесса эксплуатации судов как сложных технических комплексов необходимо иметь информацию о состоянии отдельных объектов в будущие моменты времени.

Наличие полной и достоверной информации о состоянии судов и судового оборудования — важный фактор повышения их надежности.

Надежность — одна из основных характеристик технических объектов, в том числе и судов, которая заключается в способности сохранять во времени установленные эксплуатационные показатели в заданных приделах. Повышение надежности — важный резерв роста эффективности использования техники и главный фактор повышения технической безопасности эксплуатации, в том числе мореплавания.

Исключительно важна проблема надежности транспортных судов, которые в течение длительного времени оторваны от баз и при возникновении отказов не могут рассчитывать на своевременную помощь ремонтных предприятий. Ухудшение технического состояния судна, ' особенно в сложных навигационной обстановке и метеорологических условиях, создают аварийные ситуации и могут привести к авариям с тяжелыми последствиями и большими убытками. Недостаточный уровень надежности вызывает дополнительные затраты на устранение последствий отказов, увеличивает трудоемкость технического обслуживания и ремонта, продолжительность выводов судов из эксплуатации на этот период и снижает эффективность их работы. Повышение надежности является одним из путей увеличения периода эксплуатации судов.

Проблема повышения надежности любых технических объектов, а тем ¦ более таких сложных инженерных сооружений, какими являются транспортные суда, — комплексная, и решают ее на всех стадиях проектирования, постройки и эксплуатации судов и судового оборудования.

При определении экономически оправданного уровня надежности судов и судового оборудования с учетом их назначения и условий эксплуатации, разработке соответствующих методов расчета и рекомендаций по обеспечению заданного уровня надежности на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации должна применяться теория надежности.

В начале 60-х гг. было предложено заменить сталь марки стЗ на низколегированную марки 0,9Г2. Это позволило при проектировании гражданских судов снизить расчетные толщины обшивки корпуса и набора судна и расход стали при строительстве судов. Предложение было принято, установлен ГОСТ, однако оказалось, что принятие такого предложения было неоправданно и привело к снижению надежности корпусов судов. Практика доказала, что ресурс толщины обшивки корпуса и набора вырабатывается до истечения нормативного срока службы. Износы металла достигают предельных толщин уже к середине возраста судна. Приходится менять тысячи квадратных метров корпуса. Так, на Канонерском СРЗ в течение года меняется около 5000 м обшивки на судах. Это — один из примеров снижения надежности корпусов судов на стадии их проектирования и строительства.

Чтобы оценить уровень надежности судов, степень их физического износа, а, следовательно, возможность участия в экспортно-импортных и других перевозках грузов в заграничном и каботажном плавании, необходимо периодически осуществлять оценку технического состояния судна. Своевременность технического обслуживания и ремонта существенно повышает работоспособность судна в период эксплуатации.

Параметры технического состояния судна определяются комиссионно во время инспекторских осмотров, которые проводятся по графикам в зависимости от назначения судна.

Основными причинами ремонта корпусов судов обычно бывают износ и повреждение от аварий. В свою очередь, износ вызывается многими причинами, прежде всего различными видами коррозий, истиранием обшивки и швов корпуса, химическим воздействием грузов, несоблюдением графиков технического обслуживания и ремонта и т. д. Повреждения от аварий могут возникнуть от посадки судна на мель, столкновения с другим предметом (судном, причалом, льдом и т. д.), пожара, взрыва и т. д.

Технология ремонта предусматривает очистку корпуса, его дефектацию, то есть технология ремонта судовых технических средств зависит от причин, приведших к ремонту. Технологии ремонта судов содержатся в технических условиях, где предусмотрены основные процессы: очистка (мойка), дефектация, то есть замеры износоподверженных частей и деталей, ремонт или замена, сборка, испытание и контроль, замеры износов листов или конструкций, восстановление сварочных швов, испытание на герметичность или отсутствие трещин, окраску.

Решение задачи прогнозирования изменения важнейших показателей, характеризующих состояние эксплуатируемого объекта или процесса его ремонта, позволяет проводить полноценный анализ наиболее вероятной производственной ситуации и принимать соответствующие управленческие решения.

Отличительной чертой большинства судовых объектов является наличие значительного числа параметров, контролировать изменения которых достаточно сложно, что порождает проблему дефицита информации. Это усложняет процесс прогнозирования состояния этих объектов. Решение данной проблемы необходимо в любой системе, предназначенной для прогнозирования состояния сложных технических объектов и процессов восстановления их работоспособности.

При оценке технического состояния судов до последнего времени использовались методы, основанные на физико-техническом и технико-экономическом подходах. Необходимость одновременного учета факторов, имеющих различную природу, а также развитие методов на основе теории нечетких множеств, привели к появлению различных подходов, учитывающих наличие дефицита информации. Быстрое развитие и проникновение во все сферы деятельности информационных технологий, использующих большие возможности компьютерной техники, породило информационно-технический подход к решению ряда задач. Информационные технологии расширили возможности прогнозирования, оптимизации и автоматизации процесса эксплуатации и ремонта судов.

Эффективность решения проблемы дефицита информации может быть существенно повышена при объединении подхода, основанного на теории нечетких множеств с методом экспертных оценок и использованием специальных объектно-ориентированных математических моделей.

Актуальным является создание алгоритма, эффективно сочетающего в себе выше перечисленные подходы, что может существенно повысить качество и гибкость процесса прогнозирования.

Исходя из сказанного, разработка системы прогнозирования состояния судовых объектов в условиях дефицита информации является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение точности и надежности процедур прогнозирования производственных процессов эксплуатации и ремонта судов на основе аппарата теории нечетких множеств и совершенствование способов принятия решений при реализации современных информационных технологий управления.

В рамках сформулированной цели необходимо решить следующие основные задачи:

— произвести анализ методов описания сложных производственных процессов и обосновать выбор наиболее адекватных моделей;

— проанализировать методы прогнозирования для выяснения их применимости в условиях неопределенности и дефицита информации;

— решить задачу получения обобщенной оценки экспертов с учетом степени компетентности каждого из них;

— разработать способ корректировки обобщенной оценки экспертов с помощью статистические математических моделей;

— создать обобщенный алгоритм прогнозирования состояния технических объектов, позволяющий решить проблему дефицита информации;

— разработать методику обработки оценок экспертов с помощью аппарата теории нечетких множеств с целью применения в алгоритме прогнозирования;

— разработать в рамках автоматизированной системы информационно-технологические процедуры на базе аппарата теории нечетких множеств, в основе которых лежат опыт экспертов и статистические математические модели.

Объектом исследования являются сложные производственные процессы эксплуатации и ремонта судов, характеризующиеся в плане моделирования и прогнозирования неопределенностью и информационной недостаточностью.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы моделирования и прогнозирования, обеспечивающие решение проблемы дефицита информации, точности и надежности прогнозов.

Основные научные результаты:

1. Установлена причина недостаточной точности и надежности прогнозирования ряда производственных процессов. Обоснована необходимость использования методов теории нечетких множеств.

2. Разработан способ построения интегральной функции принадлежности с целью получения обобщенной оценки экспертами ожидаемого состояния производственного процесса.

3. Предложен способ корректировки обобщенной экспертной оценки ожидаемого состояния объекта с помощью статистических математических моделей.

4. Предложен алгоритм прогнозирования состояния технических объектов на основе аппарата теории нечетких множеств и даны рекомендации по его применению при решении различных задач прогнозирования.

5. Разработаны информационно-технологические процедуры, обеспечивающие выполнение прогнозирования состояния технических объектов на базе аппарата теории нечетких множеств.

Практическая ценность диссертационного исследования заключается в создании способов и алгоритмов, позволяющих автоматизировать процесс прогнозирования состояния технических объектов на основе аппарата теории нечетких множеств. Созданные пользовательский интерфейс и программный продукт могут быть использованы при прогнозировании изменения состояния судовых комплексов.

Результаты исследования были использованы в Северно-Западном филиале Российского Речного регистра, а также в учебном процессе кафедры математического моделирования и эконометрии Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы были апробированы на:

— Международной научно-технической конференции «ТРАНСКОМ-2004» (Санкт-Петербург, 2004 г.);

— VI Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Анализ и прогнозирование систем управления» (Санкт-Петербург, 2005 г.);

— кафедральных семинарах (2004;2006г.г.).

4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛ. 4.

1) Рассмотрены структура и функции блоков системы прогнозирования технического состояния корпуса судна, изучен опыт создания автоматизированной системы анализа и прогнозирования состояния корпусов морских судов.

2) Предложена и реализована методика настройки процесса функционирования системы прогнозирования в условиях нечеткой базы данных.

3) Разработан и реализован программный комплекс на базе языка Pascal в интегрированной среде Borland Delphi 6.0, позволяющий осуществить предложенный алгоритм прогнозирования на основе аппарата теории нечетких множеств.

4) Выполнено компьютерное прогнозирование износа обшивки теплохода «Невский — 31» проекта Р32.3.1, получен поисковый прогноз с упреждением в 5 лет.

5) Сопоставление прогнозных и фактических значений износа листов обшивки показало, что наибольшая погрешность не превышает 3%, следовательно предложенная методика прогнозирования может быть рекомендована для практического использования.

6) Даны рекомендации по применению различных конфигураций предложенного алгоритма прогнозирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения теоретических исследований и проведения компьютерного эксперимента по теме диссертационной работы сделаны следующие выводы и получены результаты:

1. Установлено, что процессы изменения технического состояния судовых объектов в период эксплуатации и, восстановления работоспособности судовых комплексов при ремонте характеризуются значительной неопределенностью и неполнотой информации, необходимой для их моделирования, прогнозирования и управления. При этом выявлены три аспекта неопределенности: неточность (параметры оцениваются в виде интервала) — случайность (известна частота появления) — нечеткость (задается набор вариантов, возможностей).

2. Использование классических методов описания случайных производственных процессов не позволяет в полной мере учесть неопределенности, присущие отдельным сложным реальным процессам и приводит к недостаточной точности и надежности прогнозов.

3. Одним из способов учета указанной неопределенности и преодоления информационной недостаточности в системе прогнозирования является формализация априорной качественной информации о производственном процессе. Наиболее перспективным средством сбора и обработки такой информации представляется аппарат теории нечетких множеств.

4. Разработан и реализован алгоритм прогнозирования процесса изменения параметров производственного процесса с использованием аппарата теории нечетких множеств. В алгоритме использованы динамические доверительные интервалы, предложенные автором.

5. Сравнительный анализ вероятностного прогнозирования и прогнозирования на основе методов теории нечетких множеств позволил установить области целесообразного их применения. Достоинством последнего является возможность его использования для единичных процессов, не обеспеченных статистической информацией.

6. Разработан и реализован программный комплекс на базе языка Pascal в интегрированной среде Borland Delphi 6.0, позволяющий осуществить предложенный алгоритм прогнозирования.

7. Предложены структура и функции блоков системы прогнозирования технического состояния корпусов судов внутреннего плавания.

8. Выполнено компьютерное прогнозирование износа обшивки теплохода «Невский — 31» проекта Р32.3.1, получен поисковый прогноз с упреждением в 5 лет.

9. Разработана методика оценки точности и надежности прогнозов процесса изменения технического состояния корпуса судна.

10. Сопоставление прогнозных и фактических значений износа листов обшивки показал, что наибольшая погрешность не превышает 3%, следовательно предложенная методика прогнозирования может быть рекомендована для практического использования.

11. Даны рекомендации по применению различных конфигураций предложенного алгоритма прогнозирования.