ТЕХНИЧЕСКАЯ ГЕРОНТОЛОГИЯ
И ОСОБЕННОСТИ
УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Воинов А.П.
Воинова С.А.
Биологические объекты, включая человека, на протяжении жизни непрерывно изменяются - стареют (изнашиваются). В силу этого изменяются их свойства, которые в конкретных условиях проявляются в виде изменения их (объектов) общего состояния. А оно определяет физиологические возможности (уровень здоровья), в частности, у человека - самочувствие, настроение, показатели творческой активности. Изучением данной сферы, с учетом возрастных изменений человека, занимается геронтология.
Технические объекты (ТО) в процессе функционирования также непрерывно изменяются - изнашиваются (стареют), претерпевают необратимые изменения. Однако данные обстоятельства в технике учитывают далеко не всегда, часто делают это формально, поверхностно, без надлежащего анализа. Причина - в относительно малой изученности возрастных процессов в действующих ТО. Известно, что износ ТО неизбежен, необратим. При этом, в одних случаях он внешне незаметен (например, износ авиационного двигателя, обладающего ресурсом 150 часов), в других виден даже при поверхностном осмотре (например, в случае кузова легкового автомобиля, повреждаемого коррозией).
Необходимость учета на научной основе состояния ТО очевидна, т.к., во-первых, именно состояние определяет их технологические возможности в каждый момент времени на протяжении периода эксплуатации. А эти возможности непрерывно и неотвратимо снижаются, вследствие износа. Во-вторых, учет важен, т.к. ТО нуждаются в техническом (эксплуатационном и ремонтном) обслуживании, соответствующем в каждый момент времени их состоянию, потребностям. Потребности же непрерывно возрастают по той же причине: вследствие износа. И, в-третьих, учет важен, т.к. с течением времени, по мере и вследствие износа ТО, их технологические показатели функционирования неизбежно снижаются. А уровень требований производства к показателям технологического процесса остается прежним: высоким. Образующееся естественное их расхождение следует понимать и учитывать.
Т.о., функционирующие ТО с течением времени
1) все в меньшей степени допустимо нагружать,
2) все в большей степени необходимо обслуживать,
3) все менее высокие технологические показатели работы в состоянии обеспечить.
На практике часто об этих трех жестко взаимосвязанных обстоятельствах, породивших проблему использования ТО с учетом их износа (возраста), не думают. Первое из указанных положение «обходят», нагружая частично изношенные ТО как новые (фактически же перегружая их!). Второе положение, из-за учащающихся отказов изношенных объектов, поневоле выполняют - усиливая, как правило, только ремонтное обслуживание. Третье положение «обходят», «выжимая» из оборудования показатели по нижнему допустимому пределу, характерному для новых объектов, или мирятся с их непреодолимым (но временно терпимым) снижением.
Отметим, что восстановительное ремонтное обслуживание и, особенно, обновление ТО (путем модернизации, реконструкции, технического перевооружения) в состоянии частично решить некоторые задачи рассматриваемой проблемы.
Научную дисциплину, посвященную разработке задач указанной проблемы, следует назвать технической геронтологией (ТГ) /1-3/.
Функции ТГ сводятся к трем основным:
изучать ТО как непрерывно претерпевающие изменения (износ) в процессе функционирования,
предсказывать (прогнозировать) ход процесса изменения (износа) объектов во времени,
управлять объектами с учетом процесса износа их во времени, то есть косвенно управлять этим процессом.
ТГ должна вскрыть закономерности влияние на состояние ТО времени и условий работы, то есть разделить влияние времени и влияние износа перегрузками, неблагоприятными условиями функционирования. И, конечно же, установить закономерности совместного влияния этих факторов.
Управление износом открывает возможность направлять его по целесообразному руслу. Можно повысить технологическую эффективность функционирующих ТО: степень экологического, экономического, технического совершенства, в частности, повысить надежность, прежде всего ее элементы: безотказность и долговечность.
Перечисленные выше функции ТГ приходится осуществлять последовательно, в три этапа.
Этап познания (изучения) ТО состоит в исследовании их свойств. Это, прежде всего, выявление действующих факторов, их особенностей, закономерностей влияния на свойства и на состояние ТО. На данном этапе необходимо связать качественно и количественно сведения о ТО: их исходное и наблюдаемое состояние, свойства (реакции на различные воздействия), режим работы на пройденном этапе их «биографии». В итоге, следует сформировать массив сведений о ТО, позволяющий перейти к этапу прогнозирования их свойств и состояния в будущем в зависимости от режима работы и времени. Этап познания требует значительных усилий и времени.
Этап прогнозирования поведения ТО на предстоящем отрезке их «биографии» состоит в расчетном определении их свойств и состояния в расчетные моменты времени при работе в заданном режиме, в условиях, принятых в программе прогнозирования. Затраты усилий и времени здесь отвечают степени разработанности метода и процедуры прогнозирования.
Этап управления свойствами и состоянием ТО состоит в организации и осуществлении таких режима их эксплуатации, технического обслуживания и управления, которые решали бы, в конечном счете, задачу оптимального управления процессом их износа.
Задача развития и широкого использования ТГ вообще, в особенности в отраслях с многолетним периодом работы ТО, выросла в актуальную задачу, приобрела черты научно-технической проблемы. Обращают на себя внимание следующие задачи:
1)раскрытие и изучение механизма износа ТО под воздействием окружающих их обстоятельств (факторов), и, прежде всего - фактора времени,
2)изучение влияния исходного состояния ТО на состояние в момент рассмотрения (после определенного периода функционирования или хранения),
3)исследование влияния режима воздействия (силы, длительности, направления, характера и скорости изменения во времени) каждого из факторов, определяющих условия работы ТО, на характер, направление и скорость изменения состояния ТО во времени,
4)выявление роли каждого из известных и контролируемых свойств (технических характеристик) ТО в формировании их состояния,
5)выбор из набора показателей состояния ТО наиболее важных (значимых), способных однозначно и надежно отражать их состояние,
6)исследование закономерностей влияния во времени каждого из факторов и их комплекса на процесс изменения состояния ТО, работающих в заданном режиме, на статические и динамические характеристики этого процесса,
7)то же ТО, не действующих (сохраняемых по заданному регламенту),
8)выявление эффектов совместного влияния разных факторов на свойства и состояние ТО, а также их возможного накопления во времени,
9)обобщение сведений о процессе износа ТО во времени, составление физических и математических моделей этого процесса применительно к конкретным условиям их использования,
10)разработка методико-директивных документов, регламентирующих научно-исследовательские и расчетные изыскания в области ТГ,
11)разработка задач автоматизации управления износом ТО.
Для прогнозирования износа ТО необходимо располагать сведениями об их состояниях, исходном и текущем (в момент рассмотрения), данными о длительности и режиме их функционирования в прошлом, сведениями о динамике изменения их состояния под воздействием разных факторов. Кроме того, необходимо иметь следующие данные (в каждом из вариантов, в зависимости от цели):
для прогнозирования остаточного ресурса: режим в предстоящем периоде, допустимое состояние ТО в его конце,
для прогнозирования состояния ТО в конце заданного периода предстоящей работы: режим и длительность функционирования их в принятом на будущее (заданном) периоде,
для выявления допустимого режима в будущем: длительность предстоящего периода работы, допустимое состояние ТО в его конце.
Состояние ТО, прежде всего такие их составляющие, как работоспособность, безотказность, определяется текущими значениями их свойств. Воздействием на режим работы ТО можно управлять скоростью их износа (управлять процессом износа).
Жизненные процессы обмена веществ и энергии с окружающей средой в объектах биологии (независимо от уровня организации) в целом идут без управляющего воздействия с их (объектов) стороны (самопроизвольно). Причем программа и режим обмена реализуются при неукоснительном выполнении двух важнейших условий: глобальной оптимизации траектории и скорости всех составляющих (элементарных) процессов и быстрой адаптации параметров этих процессов к изменяющимся условиям пребывания живого существа. Абсолютная уникальность всего этого очевидна. Заметим, что попытки создания технических моделей, способных хотя бы отдаленно воспроизвести процессы обмена в живых организмах, обречены на провал.
Геронтология, впрочем, как и все составляющие медицины, в конечном счете, призвана лишь корректировать образ жизни (в широком смысле) человека, ограничивать его ошибки - отклонения от программы существования как биологического объекта, составленной для него природой. Другими словами, лишь улучшать условия протекания естественных процессов обмена, обозначенных выше. В отличие же от других составляющих медицины, геронтология призвана ввести в анализ состояния организма строго научно обоснованный учет воздействия фактора старения, износа, связанного прежде всего с возрастом (действием времени).
Технологические процессы в ТО идут по естественным законам лишь на элементном уровне, в виде отдельных составляющих (физических, химических, ядерных, биохимических). Здесь как бы из естественных кирпичей человек строит рукотворное здание технологического процесса. В нем вся ответственность за ход и результаты суммарного процесса лежит на человеке. В силу крайней ограниченности нашего знания природы, и ход и результаты упомянутого процесса весьма несовершенны. А сопоставление эффективности его и естественных соответственных процессов может быть допущено лишь как иллюстративный прием, и то только с формальных позиций.
Принципиальный примитивизм рукотворных технологических процессов обусловлен отсутствием в них свойственных природным процессам глобальной оптимизации и быстрой адаптации. Это родимое пятно неустранимо. Здесь необходимо не помогать, а предотвращать стихийный (как правило нежелательный, а часто недопустимый) ход процессов, не наделенных природным алгоритмом движения по оптимальным траекториям, как это происходит в естественных процессах. Приходится непрерывно направлять ход по целесообразному, выбранному технологами руслу.
Однако, в реальных производственных процессах можно смягчить обстановку: обеспечить некоторую - локальную - оптимизацию и некоторую - частичную - адаптацию. Эту важнейшую научно-техническую задачу удается решить благодаря автоматизации управления ТО.
Автоматика, т.о., призвана частично восполнить существующий в производственных процессах пробел - отсутствие естественных механизмов оптимизации и адаптации. Однако сделать это она может лишь по заложенным в нее алгоритмам, которые рукотворны, то есть отражают несовершенство нашего знания таинств природы. Тем не менее, только автоматика позволяет внести в управление реальными ТО отдаленные, но все же - элементы аналогии с действием систем управления жизненным процессом в биологических объектах. Действительно, только автоматическое управление элементами технологического процесса способно обеспечить движение его параметров по целесообразным, пусть локальным, но оптимальным траекториям, способно обеспечить адаптацию пусть не ко всем, но к некоторым, наиболее существенным условиям работы ТО.
ТГ по своему назначению призвана (как было показано выше), в конечном счете, управлять процессом износа ТО. Она неизбежно должна обратиться к автоматике как к возможному инструменту управления указанным процессом. Автоматика оказывается обязательным средством реализации задач ТГ. Результатом использования ее оказывается замедление процесса износа ТО, повышение их технологической эффективности в целом (экологической, экономической, технической), особенно, надежности и долговечности.
Основные положения (законы) ТГ, отражающие особенности процесса износа, как представляется, можно сформулировать следующим образом:
Процесс износа (старения) ТО неотвратим.
Состояние ТО в каждый момент времени зависит от их исходного состояния, длительности и особенностей режима работы до этого момента.
Скорость износа ТО в каждый момент времени зависит от их состояния и режима работы.
Состояние ТО формально определяется состоянием наиболее изношенного элемента из числа важных элементов (при отказе каждого из которых ТО не может функционировать с удовлетворительными технологическими показателями).
Развитие научно-технических изысканий в области ТГ является важной актуальной задачей.
Есть основания полагать, что целесообразно введение в учебные планы вузов положений ТГ [3]..
Целесообразно также издание специализированного научно-технического журнала для освещения работ в области ТГ.
Литература
1.Воинов А.П., Воинова С.А. Техническая геронтология и задача повышения надежности котельно-топочной техники. Тез. докладов на межвуз. научн. семинаре (1-3 ноября 1999 года, г. Самара).- Самара, Международная АНВШ, 1999 г. С.110.
2.Воинова
С.А. Некоторые задачи автоматического управления процессом износа технических объектов
(См. статью в настоящем журнале).
3. Воинова С.А Элементы технической геронтологии в
учебном процессе вуза. Матеріали VI Міжнар. науково-метод. конф. “Удосконал.
підготовки фахівців” (28-30 травня 2001 року, м. Одеса).- Одеса, “Астропринт”,
2001. С. 178.
4. Воинов А.П., Воинова С.А. Техническая геронтология в проблеме повышения
технологической эффективности энергетического оборудования. Вісник Інженерної
академії України, № 3, 2001 р. С. 174 –
177.