Техническая диагностика и эксплуатационная надежность
Техническая диагностика (ТД) представляет собой отрасль знаний, исВперед техническое состояние (ТС) объектов диагностирования, проявление множества их технических состояний, разрабатывающая методы их определения, а также принципы построения и организацию использования систем диагностирования.
Термин "диагностика", по И. А. Биргеру[1], происходит от греческого слова διάγνωση – распознавание, вывод, диагноз; διάγνάωστϊκη – диагностика; διάγνάωστϊκο – прозорливость, проницательность, наблюдательность, умение ставить диагноз.
В процессе диагностики устанавливается диагноз, т.е. определяется состояние больного (медицинская диагностика) или состояние технической (ого) системы (объекта). Таким образом, технической диагностикой называется наука о распознавании состояния технической системы. И. А. Биргер в своем рассмотрении ограничивал себя механическими системами, прямо не касаясь ЭА. Он писал (1978): "ТД следует рассматривать как раздел общей теории надежности"[2] (пока еще не созданной – существует статистическая теория надежности; в России – СТНр. – Прим. авт.).
Объект (технического) диагностирования – изделие и его составные части или заготовки, техническое состояние (ТС) которых подлежит определению[3].
Слово проявление в определении ТД означает предотказовое или отказовое состояние объекта. Метод должен отражать самодвижение самого содержания (по Г. Гегелю) объекта, в частности модель – это метод, в узком смысле слова это алгоритм, употребляется с прилагательным математическая в обычном смысле слова, в широком смысле – в рамках квадрографа, логически, модель = теория[4]. Понятие принцип близко к понятию аксиомы. Организация – это комплекс организационно-технических мероприятий, входит развернуто в ПОН.
Техническая диагностика входит согласно Ф. Байхельту и П. Франкену в более широкое понятие – "техническое обслуживание" как самостоятельная ветвь теории надежности, т.е. статистическая теория надежности (СТН) [4].
Под техническим обслуживанием (ТО) понимается совокупность мероприятий, которые служат поддержанию и восстановлению рабочих свойств систем. ТО включает в свой состав:
• текущее обслуживание;
• контроль работоспособности и диагностику отказов;
• ремонтно-восстановительные работы;
• в ряде случаев и другие виды работ.
Корифей отечественной теории и практики надежности И. А. Ушаков в 1983 г. писал [5, с. 355]: "Работы но ТД имеют сравнительно длительную историю". В самом деле, начиная с работ 1960 г. предлагались процедуры проверок, обеспечивающие минимум средних затрат при поиске отказов, рассматривались эвристические процедуры поиска отказов с использованием информационного критерия, правила нумерации тестов при условии возможности проведения поэлементной проверки и т.д.
Эксплуатационная надежность – надежность объекта при эксплуатации с учетом профиля ВВФ, т.е. воздействия факторов окружающей среды. Это предварительное, рабочее, достаточно общее определение.
Выводы (промежуточные):
(8.3)
где 
– символ принадлежности.
Таким образом, и ТД, и ТО могут и должны быть наследниками методов СТНр, поскольку являются элементами теоретической системы СТНр с позиций принципа системности и гармонизации.
Рассмотрим толкование понятия "техническая диагностика".
"В отличие от теории надежности (а это и есть СТНр в нашем понимании), которая занимается изучением и использованием средневероятностных статистических показателей, характеризующих технические объекты, ТД занимается изучением (и разработкой. – Прим. авт.) методов, определяющих действительное состояние технических объектов"[5]. Чтобы определить их действительное состояние, необходимо, с одной стороны, установить, что и каким способом следует проверить, с другой – решить, какие средства для этого потребуются. Эти две стороны проблемы делят все задачи ТД на две группы:
• анализ объектов и выбор методов проверок с целью установления действительного состояния этих объектов;
• выбор и построение технических средств для осуществления проверок (диагностики), использование этих средств с учетом условий эксплуатации проверяемых объектов.
В ТД предполагается, что объект может находиться в конечном множестве {X}, которое можно разделить на два подмножества (класса) – {X1} и {Х2}.
Переход объекта из одного состояния в другое, как правило, объясняется возникновением неисправности. Заметим, что понятие "неисправность" шире понятия "отказ" в объекте. Возможные неисправности разделяют на неисправности элемента, которые определяются как недопустимые количественные изменения каких-либо его параметров (характеристик) вследствие необратимых физико-химических изменений, и неисправности объекта, которые трактуются как недопустимые количественные изменения параметров (характеристик) этого объекта или изменения структурных связей в объекте.
Подмножество {X1} включает в себя все состояния, которые позволяют выполнять объекту возложенные на него функции или решать поставленные перед ним задачи, т.е. находиться в состоянии работоспособности. Каждое из состояний в этом подмножестве различается степенью или запасом работоспособности, которое характеризуется приближением состояния объекта к предельно допустимому. Переход из одного состояния в другое в подмножестве {X1} может объясняться возникновением неисправностей в объекте, которые, однако, не приводят к потере работоспособности, т.е. не вызывают к переходу объекта из состояния {X1} в подмножество {Х2}• Подмножество {Х2} включает в себя все состояния, соответствующие возникновению в объекте неисправности, приводящей к потере им работоспособности. Мощность подмножества {Х2} определяется количеством неисправностей, которые можно обнаружить по соответствующим признакам.
Представленная таким образом классификация состояний объекта позволяет разделить процесс диагностирования на два этапа.
На первом этапе устанавливается принадлежность объекта по его текущему состоянию к одному из подмножеств {X1} или {Х2}. Этот этап может быть назван определением работоспособности. Анализ состояний объекта в {X1} позволяет установить характер изменения степени его работоспособности и в ряде случаев предсказать момент перехода состояния объекта из {X1} в {Х2}, а следовательно, и осуществить прогнозирование состояния объекта. Конечно, прогнозирование связано с необходимостью создания реального устройства – прогнозатора, оснащенного соответствующими датчиками (например, датчиками МЭМС), позволяющего "держать руку на пульсе" эксплуатационной надежности объекта.
На втором этапе определяют, в каком именно состоянии из множества {Х2} находится проверяемый объект. Этап может быть назван обнаружением возникшей неисправности. Его необходимость определяется свойством ремонтопригодности объекта, здесь понятие "ремонтопригодность", входящее в определение надежности, пересекается с ТД.
Рассмотрим различия подходов к проблеме американских и российских ученых.
Зададимся вопросом: что такое вероятностная теория надежности (ВТН) (у авторов [6] – математическая теория надежности)? Вообще говоря, ВТН – это система определенных идей, математических моделей и методов, направленных на решение проблем предсказания, оценки и оптимизации различных показателей надежности (например, вероятности безотказной работы, среднего времени наработки на отказ, вероятности того, что система будет исправна в некоторый заданный или произвольный момент времени и т.д.). В большинстве случаев надежность функционирования изделия существенно зависит от организации его обслуживания, которая охватывает замену отказавших элементов, ремонт, периодические проверки и т.п. Поскольку теория надежности в основном связана с нахождением вероятностей, средних значений, распределений вероятностей и т.д., то может создаться впечатление, что она (ВТН) является простым применением стандартных вероятностных методов и не нуждается в каком-либо специальном изучении. Несостоятельность подобной точки зрения можно показать, продолжив приведенные рассуждения: ведь, в свою очередь, теория вероятностей сама есть простое применение общих математических методов, и, следовательно, не нуждается в самостоятельном развитии.
"Проблемы надежности имеют свои собственные характерные черты и сами, в свою очередь, способствуют развитию новых разделов теории вероятностей (концепция монотонной интенсивности отказов, теория восстановления, правила ТО)" [6, с. 8], – так писали в предисловии к книге, рекомендованной математикам- прикладникам, ее авторы, ранее работавшие на фирму "Боинг", в 1964 г.
При этом они делали очень важную оговорку о том, что статистические модели сами по себе в книге не рассматриваются вследствие необходимости выпуска отдельной книги по надежности. И такая книга вышла в свет – "Статистическая теория надежности (СТП) и испытания на безотказность"[6], и эта книга через крупнейшего специалиста с мировым именем, всегда живо и талантливо мыслящего И. Ушакова донесла до нас суперсложность проблем надежности. Ушаков привел в книге известный афоризм К. Пруткова "нельзя объять необъятное" (на с. 317), подчеркнув тем самым важность и самостоятельность роли ТД в решении задач надежности. Из указанной книги, и особенно после сопоставления материала книги Р. Барлоу и Ф. Прошана [6] с материалом [5, гл. 16], написанным И. Ушаковым, следует, что
Стоит отметить, что гармония семантики русского языка выше алгебры и теорий не только классических, но и нечетких множеств. Доказательством является, например, парадокс лжеца (о чем ярко и образно написано в предназначенной для студентов Принстонского университета великолепной книге Э. Мендельсона "Введение в математическую логику". В ней цитируется стих 1.12 из послания Апостола Павла к Титу (62–65 гг. н.э.) "Критяне всегда лжецы..."
Хотя американский профессор математики Э. Мендельсон не цитирует, "не знает" нашего Ф. И. Тютчева, которому принадлежит известнейшая фраза "Мысль изреченная есть ложь..." Не знает он и работ математика Н. Лузина, основателя "Лузитании", из которой вышел А. Н. Колмогоров. Мы не говорим уже о неизвестных западному миру логике Н. Лобачевского и других значительных работах российских математиках. Тем не менее спасибо Э. Мендельсону за науку логики. А с логикой науки и ее историей, пальмами первенства открытий мы сами разберемся.
Заметим, что поскольку эквивалентность физико-вероятностной теории (ФВТ) и физико-статистической теории (ФСТ) в решении задач надежности доказана авторами данного учебника [60] (рассмотрение было проведено применительно к микросистемам), то можно предположить следующее – теоретически ВТП эквивалентна СТН, т.е.
а это значит, что ТД и ТО принадлежат и ВТН, и СТН.
Таким образом, используемое понятие "статистическая теория надежности" согласно трудам известных российских ученых (СТНр), гораздо шире, чем используемое американскими учеными (СТНа) (см., например, [6]). Российская СТНр, понимаемая в духе великолепной книги [12], подтверждает справедливость вывода, отображенного формулой (8.3). Работы авторов этой книги признаны во всем мире, их курировал в области надежности и используемых методов теории вероятностей и математической статистики сам академик А. Н. Колмогоров.
Таким образом, в соответствии с изложенным можно записать соотношение
(8.4)
Рассмотрим задачи технической диагностики. Техническая диагностика (ТД) актуальна для любых научно-технических изделий, бурно развивается и имеет обширный круг задач, смежных с задачами других научных дисциплин. Точнее всего об этом написано И. А. Биргером, процитируем его: "Основной задачей ТД является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации"[7]. ТД иногда называют безразборной диагностикой, т.е. диагностикой, осуществляемой без разборки изделия.
Анализ состояния изделий проводится в условиях их эксплуатации, при которых получение информации часто крайне затруднено. В большинстве случаев не представляется возможным по имеющейся (получаемой) информации сделать однозначное заключение и приходится использовать статистические методы.
Теоретическим фундаментом для решения основной задачи ТД (это первое направление) следует считать общую теорию распознавания образов, т.е. методы топологии τ, тесно связанные со структурой времени, использующие, в том числе понятие геометрической вероятности, как это было предложено авторами данного учебника в аксиматической теории надежности (АТН, см. параграф 8.1).
ТД изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые могут рассматриваться как задачи классификации. Эти алгоритмы частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связи между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов.
Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений. Решение основной диагностической задачи, т.е. отнесения диагностируемого изделия к исправным или к неисправным изделиям, всегда связано с риском ложной тревоги (идентификации исправного изделия как неисправного) или пропуска цели (отсутствия фиксации неисправного изделия). Для принятия обоснованного решения целесообразно привлекать методы теории статистических решений с соответствующим критериями, разработанными Пирсоном, Нейманом и т.п. для удовлетворения военных нужд радиолокации.
Решение задач ТД всегда связано с прогнозированием надежности на ближайший период эксплуатации (до следующего технического осмотра). Здесь решения должны основываться на моделях отказов, изучаемых в теории надежности.
Вторым важным направлением ТД является теория контроле- пригодности. Контролепригодностью называется свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния и осуществлять раннее обнаружение неисправностей и отказов. Она создается конструкцией изделия и принятой системой технической диагностики. Важнейшая задача теории контролеспособности – изучение средств и методов получения диагностической информации. В сложных технических системах используется автоматизированный контроль состояния изделий, которым предусматриваются обработка диагностической информации и формирование управляющих сигналов. Методы проектирования автома-
газированных систем контроля составляют одно из направлений теории контролеспособности. Наконец, очень важные задачи теории контролеспособности связаны с разработкой алгоритмов поиска неисправностей, разработкой диагностических тестов, минимизацией длительности процесса установления диагноза.
Для того чтобы показать связь теорий надежности с проблемами технической диагностики (ТД), используя формулы (8.3), (8.4), можно записать соотношение в виде вложенного гнезда множеств:
(8.5)
Читать формулу (8.5) удобнее справа налево, рассуждая при этом что ТД является частью СТНа и т.д.