Автоматизированные системы управления техническим обслуживанием судовых устройств

Научно-технический прогресс в области комплексной автоматизации судовых процессов в течение последних 20 лет определяется достижениями в области электроники и вычислительной техники. Современные тенденции развития средств автоматизации в мировом судостроении характеризуются широким применением вычислительно-информационных систем, микроЭВМ, микропроцессорных средств, позволяющих существенно повысить безопасность плавания, снизить эксплуатационные расходы за счет периодического контроля, диагностирования и прогнозирования технического состояния судовых технических средств, сократить численность судовых экипажей и повысить эффективность использования судов.

Основной особенностью программ автоматизации является объединение всех систем управления отдельными технологическими процессами и оборудованием в автоматизированную систему управления судном с распределенной структурой, единой информационной базой и базой данных, выполняющих определенные функции как на борту судна, так и в стратегии его использования судовладельцем.

При этом особенно эксплуатация судового оборудования в условиях длительного автономного плавания судов при воздействии множества внешних и внутренних факторов при требовани высокой надежности всего комплекса судовых механизмов выдвигает на первый план необходимость регламентированного контроля технического состояния оборудования и принятия решения в рамках автоматизированных систем управления всеми процессами технического обслуживания судовых систем.

Анализ судовых технических средств (СТС) сводится прежде всего к определению контролепригодности, возможности измерения совокупности параметров и получения информационного массива данных, пригодного для решения поставленных задач контроля и управления по повышению надежности и безопасности как судна в целом, так и отдельных СТС.

Поскольку надежность и безопасность по определению весьма сложные понятия, дадим определение надежности судов и кораблей, под которым будем понимать свойство судов (кораблей) сохранять во времени в установленных пределах значения параметров, характеризующих способность выполнения требуемых функций (перевозок) в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. В широком смысле надежность обуславивается безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью, а в узком смысле — только безотказностью.

Безотказность судовых технических средств (СТС) может быть обеспечена в условиях длительного автономного плавания судов путем периодичесого контроля технического состояния судовых механизмов, принятия решения о работоспособности этих механизмов и прогнозирования измерения состояния СТС хотя бы на период плавания (перевозок грузов). Для организации контроля множества параметров СТС, анализа и обработки, оценка технического состояния судовых объектов и принятия управленческих решений необходима система технического обслуживания (СТО). Поскольку у некоторых объектов на судах количество анализируемых признаков достигает нескольких сотен, то безусловно СТО должна быть автоматизированной (ACTO), т. е. с применением ПЭВМ и в отдельных случаях включать специализированные микропроцессорные устройства. При этом, если учесть, что продолжительность плавания судов достигает часто несколько десятков дней, то становится необходимым решать задачу прогнозирования изменения технического состояния СТС для предвидения отказовых ситуаций.

Иными словами необходимо организовать работу ACTO, которая решала бы задачу управления технического обслуживания судовых технических средств и тем самым обеспечивала надежность и безопасность плавания судов в течение заданного времени.

В связи с этим целью диссертационной работы является алгоритмизация управления техническим обслуживанием судовых технических средств на основе методов диагностирования и прогнозирования их работоспособности.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1) Анализ работоспособности технических средств системы информационной поддержки (СИП) судоводителя;

2) Аппаратно-программная реализация управления техническим обслуживанием системы автоматического сопровождения целей;

3) Информационное и методическое обеспечение процессов управления техническим состоянием механических конструкций;

4) Алгоритмизация прогнозирования и контроля работоспособности мобильных радиолокационных станций (PJIC) по результатам экспресс-оценки показателей качества функционирования отдельных блоков;

5) Создание автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора по анализу работоспособности системы информационной поддержки.

Методы исследования. Общетеоретической базой проводимого исследования служат методы теории радиолокации, теории управления, системного анализа, теории технической диагностики и статистической классификации теории прогнозирования, теории вибрации и прочности механических объектов, теории фильтрации и других теорий.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1. Проанализированы СТС, входящие в состав СИП, факторы, влияющие на их надежность и модели всех подсистем СИП как объектов диагностики.

2. Разработаны структура, метод, алгоритмы и машинная программа для автоматизированного комплекса управления техническим состоянием СИП.

3. Предложена концепция контроля механических конструкций СТС, в рамках которой рассмотрен метод получения спектральных характеристик вибраций, разработан алгоритм адаптивной фильтрации сигналов вибродатчиков, исследованы методы снижения размерности пространства признаков, предложен метод экстраполяции временных рядов и разработан 8-ми канальный аппаратно-программный комплекс контроля работоспособности механических конструкций.

4. Предложены принципы анализа и прогнозирования состояния работоспособности мобильных РЛС систем автоматического сопровождения целей (САЦ) по результатам экспресс-оценок показателей качества функционирования.

5. Изложен общий подход к построению системы технического обслуживания СТС и описана интеллектуальная система выбора оптимального алгоритма распознавания в диалоговом режиме.

Практическая значимость. Работа выполнена в рамках важнейших НИР в соответствии с Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 годы», имеющей статус президентской программы.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в том, что созданы методические и алгоритмические основы управления техническим обслуживаним судовых технических средств, входящих в систему информационной поддержки судоводителя.

По результатам проведенных исследований при участии автора разработаны модели, алгоритмы и программы, предназначенных для управления упомянутыми системами оценки технического состояния и прогнозирования работоспособности объектов СТС. 8

Результаты нашли внедрение в различных организациях и предприятиях региона.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на

— Международной научно-технической конференции «Транском-97» (СЛетербург, 1997 г.)

— Международной конференции по информатике и управлению (Россия, СЛетербург, 1997 г.)

— Третьем международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии «ЭМС-97» (С.Петербург, 1997 г.)

— на ежегодных научно-технических конференциях СПГЭТУ в 19 971 999 г. г.

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 5 печатных работах, из которых 3 статьи и 2 тезиса докладов на конференциях.

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и приложения.

Выводы к главе 5.

1. Предложен общий подход к построению систем технического обслуживания СТС. Изложены основные требования, предъявляемые к системе технического обслуживания, предложена функциональная схема системы, перечислены основные задачи, решаемые системой.

2. Предложена интеллектуальная система, позволяющая в диалоговом режиме решать задачу выбора оптимального алгоритма распознавания при изменяющихся исходных данных.

Заключение

Требования к безопасности плавания морских и речных судов, а также кораблей военно-морского флота в жестких климатических условиях приводят к необходимости автоматизации процессов управления техническим обслуживанием судовых технических средств разнообразного назначения. При этом особенно важным является обеспечение повышенной надежности объектам системы информационной поддержки судоводителя, так как от их работоспособности зависит оптимальность пространственно-временного движения судна, эффективность и стоимость перевозок и выполнение задания.

В связи с этим в работе большое внимание было уделено именно объектам СИП, методам их контроля, алгоритмам анализа и обработки информации и программам принятия решения (диагностическим, прогнозирующим и управленческим).

В результате проведенных исследований были получены следующие основные результаты:

1. Проанализирована структура систем информационной поддержки оператора (сформулированы задачи по управлению и обслуживанию СТС, предложена модель процесса принятия решения, определена концепция оценки качества применительно к СИП) — проведен анализ влияния климатических факторов на надежность СТС по результатам их длительного хранения и эксплуатации в различных климатических поясахосуществлена детализация СИП как объекта диагностирования на три подсистемыпредложены модели всех подсистем с позиции технической диагностики и процедуры управления их техническим состоянием.

2. Рассмотрен принцип автоматического сопровождения множества целей с помощью одной РЛС кругового обзора, обеспечивающей дискретное поступление информации о координатах сопровождаемых целей. В качестве математического аппарата, обеспечивающего операции сглаживания и экстраполяции координат сопровождаемых целей, предложено использовать аппарат линейной фильтрации Калмана.

Кроме того получены математические соотношения между заданным числом каналов САЦ, допустимой вероятности достоверности информации о состоянии работоспособности каналов САЦ, темпом поступления входной информации, требуемым временем обработки информации и требуемым числом проверочных и запасных каналов.

3. Разработано методическое обеспечение экспресс-контроля работоспособности САЦ путем непрерывного сравнения результатов вычислений в каждом из рабочих каналов системы с результатами вычислений в проверочных каналах. При этом разработаны структура автоматизированного комплекса для управления техническим состоянием САЦ, алгоритмы контроля и компьютерная программа на языке С++, реализующая этот алгоритм.

4. Предложена концепция контроля работоспособности механических конструкций СТС, основанная на исследовании спектральных характеристик сигналов вибраций отдельных элементов конструкций. В качестве диагностического признака предложено использовать значения интенсивности дискретного спектра сигнала вибрации в заданных частотных окнах. Рассмотрены методы получения спектральных характеристик вибраций и методы снижения размерности пространства признаков.

5. Разработан алгоритм адаптивной фильтрации сигналов вибродатчиков с целью максимизации на его выходе отношения сигнал-шум. Предложен метод экстраполяции временных рядов в задачах вибродиагностики механических конструкций, при этом рассмотрены авторегрессионная и взаимнорегрессионная модели.

Разработан и изготовлен восьми канальный аппаратно-программный комплекс для контроля работоспособности механических конструкций, позволяющий параллельно обрабатывать информацию от восьми вибродатчиков, расположенных в различных точках механической конструкции.

6. Разработаны методы анализа и прогнозирования состояния работоспособности мобильных РЛС САЦ по результатам экспресс-оценок показателей качества функционирования отдельных подсистем и узлов. Определено, что работоспособность РЛС определяется по значениям вектора ее выходных характеристик или по значениям единого свободного показателя. Из всего набора технических параметров для оперативного контроля выбрано ограниченное количество наиболее информативных.

7. Разработан алгоритм прогнозирования выходных характеристик РЛС и единого сводного показателя. Предложены пути оценки погрешности прогноза, выбора нужного алгоритма прогнозирования для конкретной РЛС, уточнены динамические модели оценивания работоспособности станции.

8. Предложен общий подход к построению систем технического обслуживания СТС с изложением основных требований к ней и функциональная схема системы с перечислением основных решаемых задач. Описана интеллектуальная система, позволяющая в диалоговом режиме решать задачу выбора оптимального алгоритма распознавания при изменяющихся исходных данных.