Назначение и задачи прогнозирования

Перспективным методом технической эксплуатации авиационной техники является метод эксплуатации до предотказного состояния. Однако выявить предотказное состояние изделия возможно лишь при использовании методов прогнозирования. Таким образом, перспективные методы технической эксплуатации вызвали к жизни и новую техническую проблему — прогнозирование технического состояния изделий.

Прогнозировать событие означает предвидеть, предсказать будущее на основании определения и изучения таких факторов, от которых оно зависит или которые ему сопутствуют. Научное прогнозирование основывается на изучении закономерностей, которые определяют поведение рассматриваемых процессов и событий. При этом могут быть использованы закономерности случайных и детерминированных событий.

Возникает вопрос: как же можно прогнозировать отказ, если, как правило, он является событием случайным? Но процесс изменения параметров изделия и причины этих изменений для наблюдателя носят случайный характер, поскольку наблюдатель не знает скрытых от него внутренних законов. Если исследователь откроет эти законы, то изменение параметров и, соответственно, возникновение отказов становится предсказуемым.

Справедливость такого утверждения подтверждается таким примером: долгое время отказы датчиков температуры выходных газов реактивных авиадвигателей носили сугубо непредсказуемый характер и это отрицательно влияло на безопасность полетов. Лишь после того, как в результате специальных исследований датчиков была обнаружена зависимость наработки термопар до отказа от величины омического сопротивления ее спая, появилась возможность по значению этого сопротивления определять предотказное состояние датчика и вовремя заменять его на работоспособный.

Таким образом, момент и место отказа в объекте являются непредсказуемыми, если отсутствуют знания о характере протекающих в нем процессов.

При углублении контроля технического состояния изделия области случайных времени и места отказа сужаются. В пределе, если бы глубокому контролю состояния могли подвергаться все элементы объекта, то можно было бы исключить появление отказов в полете, проводя по результатам контроля соответствующие восстановительные работы. Однако практически осуществить глубокий контроль всего множества элементов объекта невозможно. Поэтому приходится ограничиваться контролем только некоторых параметров объекта, по которым можно было бы судить с некоторой вероятностью о его фактическом состоянии в настоящий момент времени и определенном будущем. Задача состоит в том, чтобы найти необходимое и небольшое число таких наиболее информативных параметров.

На практике каждый случай появления нового отказа анализируется и определяется возможностью введения в перечень нового прогнозирующего параметра. Если же такого параметра не будет найдено или существующими средствами контроля фиксация и измерение этого параметра практически неосуществимы, то при любом методе эксплуатации предупредить возможность появления подобных отказов невозможно. Примерами непрогнозируемых отказов могут быть поломки пружин в коммутирующих элементах, обрывы проводов в штепсельных разъемах, разрушение паяных контактов в электронных блоках и т.д.

В большинстве случаев внезапность появления отказов объекта является следствием несовершенства наших знаний процессов, связанных с развитием этих отказов. Однако там, где имеется возможность получать информацию об этих процессах, говорят не о внезапных, а о постепенных отказах. Для таких постепенных отказов используются специальные методы их прогнозирования.

Из опыта эксплуатации известно, что для элементов агрегатов авиационного оборудования постепенные отказы обусловлены такими причинами, как старение материалов, износ деталей, разрегулировки, ослабление креплений, развитие дефектов (микротрещин, подгаров и коррозии контактов) и т.д. При этом процесс изменения соответствующих параметров часто имеет монотонный характер. Если же процесс этот не имеет явно выраженного монотонного характера, то оказывается возможным оценить поведение математического ожидания и среднего квадратического отклонения определяющего параметра объекта.

На практике процесс развития внутренних неисправностей электрических объектов наблюдается по косвенным, т.е. выходным характеристикам, от которых зависит (сопротивления, коэффициенты усиления, погрешности характеристик элементов и т.д.). Поскольку изменения этих параметров в эксплуатации вызываются многими детерминированными и случайными причинами, то исключается возможность однозначного установления связей изменений параметров с работоспособность (выходные напряжения, мощность, входные сопротивления и т.д.) этими причинами.

Прогнозирование технического состояния объекта, основанное на наблюдении и обработке прогнозируемых параметров, позволяет исследовать надежность конкретных изделий в процессе их эксплуатации. Это особенно важно для оценки изделий, которые изготовлены в малом количестве и выполняют ответственные функции, когда может оказаться недопустимой практика расчетов надежности по числу событий отказов.

К задачам прогнозирования относятся:

1) определение значений прогнозируемых параметров на протяжении будущего отрезка времени;

2) расчет вероятности того, что прогнозируемые параметры не выйдут за пределы зоны допусков в течение заданной наработки в процессе эксплуатации;

3) расчет наработки изделия, при которой обеспечивается заданная вероятность сохранения прогнозируемых параметров в пределах допусков;

4) расчет допусков, из которых прогнозируемые параметры не выйдут в течение заданной наработки с заданной вероятностью, т.е. расчет упреждающих допусков.

В первом случае задача прогнозирования формулируется следующим образом: пусть контролируемый процесс изменения набора прогнозируемых параметров х₁, х₂, x_s...x_kпредставляется в виде многомерной функции z(x₁х₂..., х_s...,х_k),полученной в период наработки от t = 0до t_k в результате измерения значений z(x₁х₂..., х_s...,х_k)в моменты t₀, t₁, t₂...t_n∈T₁
Необходимо определить значения этой функции z(t_n+1),z(t_n+2), …z(t_n+m)в предстоящие моменты наработки t_n+1, t_n+2, …,t_n+m.

Такую задачу можно решить как в явном виде, определяя непосредственно значения функции z(x,t)так и косвенным путем, находя сначала каждый параметр x(t)₉ а затем уже вычисляя значение z(x,t). Здесь х – обобщенный вектор, составляющими которого являются все k прогнозирующих параметров x_s.

Идеальным случаем является получение аналитического выражения для функции состояния z(x,t)объекта.

Для второго случая задачу можно сформулировать так: пусть известны значения параметров x(s = 1, 2, k)полученные в моменты t_i(i = 0, I, 2, k)и для каждого момента функция состояния z(x, t)полностью характеризуется функцией распределения F_i(z). Необходимо по известным значениям х_s (t_i), z(x_s t_i), F_i(z)вычислить значения вероятности того, что разность значения функции в прогнозируемый момент и номинального ее значения не превысит допустимой величины ε:

где а и - номинальное и текущее значения функции в области t_n+1, t_n+2, …,t_n+m для моментов

t_n+j, (j = 1, 2, m).

Полученная реализация процесса изменения прогнозирующего параметра не всегда гарантирует высокую точность прогнозирования. Это обусловлено недостаточностью информации о большом числе факторов, влияющих на изделие, причем эти факторы могут изменяться во времени.

Точность прогноза может быть повышена, если будет:

• получена и правильно использована априорная информация о статистических характеристиках изменения во времени многочисленных воздействий на изделие, как из внешней среды, так и своей собственной внутренней среды;

• исследовано влияние этих воздействий на входные и выходные параметры объекта;

• получен оператор связи входных и выходных параметров объекта, в том числе и с внешними факторами. Это соответствует известному научному положению: чем больше избыточная информация, тем будет выше помехозащищенность исследуемой системы. В настоящем учебнике рассмотрена лишь общая методика прогнозирования одномерных объектов, когда их работоспособность на прогнозируемый период оценивается по одному выходному параметру, значение которого зависит от наработки. При этом излагается лишь один из возможных вариантов решения названных выше первой, третьей и четвертой задач.