ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Podstawy prognozowania na tle oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH OMiUO 2005 Podstawy prognozowania na tle oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych Słowa kluczowe: podstawy prognozowania, metody prognozowania, stan techniczny W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące podstaw prognozowania w ujęciu oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych. Przytoczono definicje prognozowania, podział metod prognozowania oraz omówiono niektóre z nich. Zaprezentowano także wybrane procedury prognozowania. Basics of Prognosis Versus the Evaluation of Marine Propulsion Plant Technical Condition Key words: background of technical condition prognosis process, prognosis methods, technical condition The paper presents basic information on the prognosis theory in the aspect of technical condition estimation. The prognosis definitions have been given and classification of prognosis methods has been shown. Selected prognosis methods have been shortly described. Algorithms of prognosis procedures have been described. 449

2 Wstęp Zapewnienie prawidłowej eksploatacji urządzeń technicznych wymaga wiedzy o ich aktualnym stanie technicznym, stopniu zużycia poszczególnych podzespołów urządzeń oraz stopniu zużycia wykorzystywanych w nich materiałów eksploatacyjnych. Występowanie w trakcie eksploatacji urządzeń zarówno procesów zużycia i starzenia, których skutkiem jest powolna degradacja parametrów technicznych urządzenia, jak również uszkodzeń nagłych awarii, wiąże się ze zmianą stanu technicznego urządzenia ze stanu zdatności do stanu niezdatności lub niepełnej zdatności technicznej [10, 11]. Aby zminimalizować zagrożenia wynikające ze zmiany stanu technicznego, należy kontrolować urządzenie pomiędzy czynnościami obsługowymi oraz zadbać o właściwe rozplanowanie tych czynności [2, 7, 20]. Powoduje to okresowo potrzebę podjęcia decyzji uwzględniających prawdopodobne zdarzenia mogące nastąpić w przyszłości, a dotyczące eksploatacji siłowni, stanu urządzeń, czy zapotrzebowania na części zamienne. Potrzeba ta wynika ze specyfiki eksploatacji tak specyficznego obiektu, jakim jest siłownia okrętowa, a w szczególności z: wymogu długotrwałej nieprzerwanej pracy urządzeń napędowych podczas podróży morskiej; utrudnionego dostępu do części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych oraz różnic ich jakości, w zależności od rejonu świata, w którym statek przebywa, lub który jest celem jego podróży; znacznych różnic w zasadach eksploatacji poszczególnych urządzeń siłowni wpływających na odmienność przebiegów procesów zużycia i starzenia oraz różnej jakości dokonywanych przeglądów technicznych urządzeń, opartych na strategii planowo-zapobiegawczej. Podejmowane decyzje mogą zatem dotyczyć zagadnień obejmujących wymianę bądź regulację elementów składowych poszczególnych urządzeń siłowni, a pośrednio wpływać na trwałość użytkowania materiałów eksploatacyjnych. 1. Podstawy prognozowania Podstawowym celem prognozowania jest przedstawienie informacji o kształtowaniu się interesujących zdarzeń w przyszłości na podstawie wiedzy o ich dotychczasowym przebiegu. Prognozą według [4] jest racjonalne, naukowe przewidywanie zdarzeń, które zajdą w czasie późniejszym (w przyszłości), odbywające się na podstawie informacji o przeszłości. Przewidywanie można nazwać racjonalnym, gdy wnioskowanie oparte jest na logicznym procesie interpretacji przesłanek (tj. zbioru faktów należących do przyszłości). Jeżeli 450

3 Podstawy prognozowania na tle oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych natomiast w procesie wnioskowania nie korzystamy z przesłanek lecz z wróżb i proroctw (które niekoniecznie muszą być fałszywe), to wtedy mówimy o przewidywaniu nieracjonalnym. Przewidywanie można określić jako naukowe, gdy podczas procesu badawczego, obejmującego poznawanie przeszłości (gromadzenie danych), diagnozowanie oraz przenoszenie danych z przeszłości w przyszłość, korzysta się z dorobku nauki. Przewidywanie zdroworozsądkowe ma natomiast miejsce wówczas, gdy oparte jest ono na wcześniej zdobytym doświadczeniu. W pracy [9] termin prognozy uściślono, definiując ją jako wypowiedź określającą najbardziej prawdopodobne kształtowanie się wyróżnionego zjawiska w przyszłości, mającą za podstawę dotychczasowy przebieg tego zjawiska oraz jego zależność od układu, w którym zachodzi. Według [19] prognoza stanowi pewnego typu rozszerzoną diagnozę będącą wynikiem rozpoznania przewidywanego zachowania się stanu układu w określonej przyszłości. Z uwagi na fakt, że prognozowanie obejmuje czynności zmierzające do oszacowania prawdopodobnego stanu analizowanego obiektu w przyszłości, zakres tych czynności związany jest ściśle z przyjętym celem prognozowania. Z punktu widzenia eksploatacji urządzeń siłowni okrętowych zasadność konstruowania prognoz wzrasta wraz [18]: ze skróceniem horyzontu prognozy (okresu czasu, na który prognoza została skonstruowana); z wydłużeniem okresu wykorzystanego do oszacowania modelu prognozy; ze zwiększeniem stopnia inercji prognozowanej zmiennej; ze zwiększeniem autonomiczności prognozowanych wielkości. Można równocześnie stwierdzić, że wzrost pewności wyników prognozy zachodzi w przypadku [4]: zastosowania kilku metod prognozowania i porównania ze sobą uzyskanych na ich podstawie wyników, potwierdzenia otrzymanych wyników przez matematyczne lub logiczne wyprowadzenie wniosków ze znanych już prognoz, przeprowadzenia weryfikacji merytorycznej. 2. Metody prognozowania Metody prognozowania wyznaczają sposób przetworzenia danych o przeszłości oraz opisują sposób konstrukcji prognozy w oparciu o przetworzone dane [4, 9]. Przegląd spotykanych w literaturze metod przedstawiono na rysunku 1. Z uwagi na ograniczenia objętościowe, w artykule zostaną omówione jedynie wybrane metody prognozowania. Przegląd wszystkich metod dostępny jest w literaturze przedstawionej na końcu artykułu. 451

4 metody oparte na analogii obserwowanych zjawisk metoda mieszana ARIMA metoda mieszana ARMA PODZIAŁ METOD PROGNOZOWANIA metody matematyczno- -statystyczne metody intuicyjne metody autoregresyjne metody przyczynowo- -skutkowe metody oparte na ekstrapolacji szeregów czasowych metody deterministyczne metody analityczne metody adaptacyjne metody mechaniczne metoda IMA metoda IAR model Boxa-Jenkinsa model symptomatyczny model behawioralny model ekonometryczny model technometryczny jednorównaniowy model liniowy jednorównaniowy model nieliniowy model wielorównaniowy metoda trendu pełzającego model Holta model Wintersa inne metoda średnich ruchomych wyrównywanie wykładnicze inne liniowe równania różniczkowe nieliniowe równania różniczkowe inne metoda heurystyczna seanse delfickie metoda ekspercka ekspertska Rys. 1. Klasyfikacja metod prognozowania (na podstawie przeglądu literatury) Fig. 1. Classification of prognostic methods (based on literature review) inne 452

5 Podstawy prognozowania na tle oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych Spośród metod prognozowania zaliczanych do grupy metod intuicyjnych (opartych na wiedzy fachowej i doświadczeniu uzyskanym podczas eksploatacji urządzenia), w przypadku urządzeń siłowni okrętowych zastosowanie znalazły głównie metody eksperckie [11]. Metody te wykorzystuje się w wyspecjalizowanych analizatorach służących do diagnozowania urządzeń lub ich podzespołów, sporadycznie wykorzystywane są również w kompleksowych systemach diagnostycznych siłowni lub urządzeń o wysokim stopniu złożoności [7, 8]. Spośród pozostałych metod intuicyjnych zastosowanie znalazły również metody heurystyczne, wykorzystywane do przewidywania stanów obiektu, terminów wymiany środków smarowych itp. Z uwagi na fakt, że stan obiektu i wielkość parametrów diagnostycznych zmieniają się w sposób ciągły w czasie (w przypadku nagłej awarii, wymiany lub regulacji zespołów zmiana może być skokowa), oraz że istnieje możliwość dyskretnej reprezentacji takiego sygnału, możliwe jest przedstawienie zaobserwowanej historii zmian parametrów diagnostycznych w postaci uporządkowanych w czasie ciągów wartości liczbowych określanych terminem szeregów czasowych. Możliwe więc staje się wykorzystanie do celów prognozowania metod należących do grupy matematyczno-statystycznych. Metody bezpośredniej analizy szeregów czasowych (oparte na ekstrapolacji) mogą znaleźć zastosowanie w przypadku, gdy koszty zdobycia wiedzy o przyczynach wystąpienia zjawisk są bardzo wysokie [9]. Powinno się je stosować, gdy zachodzące zjawisko jest zbyt złożone, by można je opisać i zrozumieć bez użycia modeli, lub gdy zadaniem prognosty jest jedynie przewidzenie tego co się zdarzy, a nie wyjaśnienie przyczyn zjawiska. W obrębie metod analizy szeregów czasowych wyróżnić można m.in.: metody mechaniczne (średnich ruchomych, wygładzania wykładniczego), metody analityczne, metody adaptacyjne, modele składowej czasowej oraz modele autoregresyjne. Zastosowanie w prognozowaniu metod mechanicznych wymaga odpowiedniego doboru parametrów analizy, ponieważ zależy od niego stopień wygładzenia wahań przypadkowych, a zatem ujawnienie właściwego przebiegu zmian [12]. Proces ten jest trudny do zautomatyzowania. Ponadto, z uwagi na fakt, że prognozy wyznaczane są na bardzo krótki okres, należy uznać metody mechaniczne za metody pomocnicze, służące do określenia ogólnego charakteru dotychczasowego przebiegu zmian parametru. Podobne cechy wykazują metody adaptacyjne. Ich niewątpliwymi zaletami są prostota realizacji prognozy oraz możliwości pominięcia etapu wyznaczania analitycznej postaci trendu, wadą natomiast jest brak możliwości oszacowania ex-ante dokładności prognozowania oraz trudności właściwego doboru sposobu estymacji niektórych parametrów [1, 3, 12, 18]. W metodach analitycznych (określanych również mianem klasycznych metod tendencji rozwojowej) prognoza wyznaczana jest na podstawie modelu opisanego za pomocą funkcji matematycznej [9, 12]. Funkcję tę wyznacza się 453

6 przy założeniu, że model przebiegu zmian parametru można traktować jako szczególny przypadek modelu regresji, w którym zmienną objaśniającą jest czas. Wybór postaci modelu odbywa się na podstawie przesłanek teoretycznych dotyczących prawidłowości rozwoju danego zjawiska oraz oceny przebiegu przeszłych zmian wartości parametru. Do najczęściej stosowanych zaliczyć należy funkcje [9, 12, 13]: liniową, wykładniczą, potęgową, hiperboliczną, logistyczną, wielomianową oraz wymierną. Zaletą zastosowania metody analitycznej jest łatwość interpretacji wyników analizy, jak również to, że do przedstawienia prognozy, poza znajomością analizowanego przebiegu, nie są wymagane dodatkowe informacje o urządzeniu lub zachodzących w nim procesach. Można więc przyjąć, że metoda ta potencjalnie nadaje się do wykorzystania podczas prognozowania zmian przebiegów parametrów eksploatacyjnych urządzeń siłowni okrętowych. Kolejną grupę metod prognozowania stanowią metody przyczynowoskutkowe. Metody te, inaczej niż przedstawione dotychczas, wymagają istnienia modelu wyjaśniającego mechanizm obserwowanych zmian parametru, którego prognoza ma dotyczyć [9, 18]. Według [18] właściwy dobór modelu musi uwzględniać nie tylko charakter prognozowanego parametru, ale również dostępność niezbędnych danych statystycznych, które mogłyby zostać użyte do estymacji modelu. W obrębie metod przyczynowo-skutkowych można wyróżnić metody: behawioralne (oparte na prawach psychologii), ekonometryczne (oparte na prawach ekonomii), symptomatyczne (wykorzystywane, gdy nie jest możliwa budowa modelu w oparciu o zagadnienia teoretyczne, jednak można empirycznie określić związek pomiędzy wielkością parametru a stanem obiektu). W analogii do zagadnień ekonometrycznych, w ostatnim czasie zaczęto wyróżniać również grupę metod technometrycznych [5]. Jak przedstawiono w [18], do zalet metod przyczynowo-skutkowych zalicza się stosunkowo prostą interpretację parametrów modelu, możliwość obliczenia błędów prognozy typu ex-ante, możliwość uwzględnienia w prognozowanym zjawisku istotnych związków przyczynowo-skutkowych. Do ich wad zaliczyć można natomiast trudność doboru najlepszego zestawu parametrów do budowy modelu oraz technik estymacji, sprawdzenia stabilności parametrów modelu w czasie, jak również trudność wyboru analitycznej postaci modelu spośród modeli jedno- i wielorównaniowych. W przypadku wykorzystywania w siłowni okrętowej wielu jednakowych urządzeń uzasadnione wydaje się być zastosowanie metod opartych na analogiach rozwojowych obserwowanych zdarzeń [9]. Metody te służą do przewidywania przyszłości określonej zmiennej, na podstawie danych o zmiennych podobnych, które nie są przyczynowo związane ze zmienną prognozowaną. Głównym założeniem tych metod jest możliwość określenia podobieństwa pomiędzy zbiorem przebiegów zmiennych w przeszłości, a zarejestrowanym 454

7 Podstawy prognozowania na tle oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych przebiegiem. W przypadku jego spełnienia, w konstrukcji prognozy możliwe jest wykorzystanie sprecyzowanego podobieństwa przebiegów. 3. Procedury prognozowania Metodyka obsługiwania urządzeń siłowni okrętowych w zależności od ich stanu technicznego, realizowana jest poprzez przeprowadzenie badań mających określić aktualny stan techniczny urządzenia oraz ustalenie przyczyn zaistniałego stanu i przewidywanie rozwoju jego zmian. W przypadku stwierdzenia niezdatności urządzenia do dalszej pracy następuje ustalenie jej przyczyny, usunięcie niezdatności (regulacja lub wymiana części lub podzespołu), a następnie przeprowadza się ponowną ocenę stanu technicznego. W przypadku stwierdzenia stanu zdatności urządzenia do pracy następuje wyznaczenie terminu następnego diagnozowania urządzenia w drodze realizacji procesu prognozowania. W pracy [6] rozróżniono dwie procedury służące do realizacji zagadnień prognozowania. W przypadku pierwszej wnioski o stanie obiektu eksploatacji formułowane są poprzez porównanie prognoz wartości parametrów diagnostycznych z wartościami progowymi, wyznaczającymi np. granice stanów zdatności i niezdatności urządzenia. Poprawność wniosku zależy w tym przypadku od poprawności metody wnioskowania oraz od dokładności prognozy. W przypadku drugiej procedury podczas prognozowania wykorzystuje się wzorce stanowiące reprezentację urządzenia w przestrzeni parametrów w oparciu o ogólne jego własności eksploatacyjne. Oblicza się wartości miary podobieństwa chwilowego zbioru wartości parametrów do wyznaczonego wzorca. Szereg czasowy będący podstawą prognozowania buduje się zatem nie bezpośrednio z wartości mierzonych parametrów, lecz z odpowiednich wartości miar podobieństwa. Obliczona w takim szeregu prognoza daje podstawę do bezpośredniego sformułowania prognozy stanu obiektu eksploatacji. Prezentację graficzną obu procedur w postaci algorytmów przedstawiono na rysunku 2. Obie procedury stanowią podstawę do podejmowania decyzji o terminach i zakresach realizacji obsług, jednak lepsza w tej dziedzinie wydaje się procedura B, ponieważ nie tylko prognozuje wartości symptomów (jak to ma miejsce przy procedurze A), lecz określa także gotowe do użycia wskazanie prognostyczne stanu badanej maszyny, bazujące na ilościowych miarach podobieństwa, czyli umożliwia uzyskanie informacji bardziej przydatnych i łatwiejszych do wykorzystania. 455

8 Procedura A Procedura B Gromadzenie chwilowych wartości symptomów w postaci szeregów czasowych Utworzenie wzorca procesu diagnozowanego w przestrzeni symptomów Generowanie modelu prognostycznego w szeregu czasowym wartości symptomu Gromadzenie lokalnych wartości miary podobieństwa między stanami chwilowymi i wzorcem w postaci szeregów czasowych Obliczanie prognoz wartości symptomu Generowanie modelu prognostycznego Porównywanie prognoz symptomów z ustalonymi wartościami progowymi Obliczanie prognoz wartości miary podobieństwa Formułowanie wniosków o przyszłych stanach badanego obiektu Formułowanie wniosków prognostycznych o przyszłych stanach badanego obiektu Rys. 2. Algorytmy prognozowania stanu technicznego [6] Fig. 2. Algorithms of technical condition prognosis Uwagi końcowe Zagadnienie prognozowania zmian stanów eksploatacyjnych urządzeń siłowni okrętowych związane jest z istniejącą potrzebą poprawy niezawodności ich pracy oraz ma stanowić czynnik pomocniczy podczas użytkowania tych urządzeń. Nawet bardzo przybliżona informacja o przyszłym stanie obiektu pozwala w najdogodniejszym do tego czasie na przeprowadzenie czynności obsługowych urządzenia, wyprzedzających powstanie uszkodzenia. Z przeprowadzonej oceny wynika, że metody prognozowania pracy urządzeń na podstawie przebiegów ich parametrów eksploatacyjnych mają znaczny potencjał użytkowy, jednak ich dotychczasowe wykorzystanie jest marginalne. 456

9 Podstawy prognozowania na tle oceny stanu technicznego urządzeń siłowni okrętowych Literatura 1. Batko W., Prognozowanie diagnostyczne w inżynierii niezawodności, XXXI Zimowa Szkoła Niezawodności, Metody prognozowania w inżynierii niezawodności, Szczyrk Bielawski P., Metody procedury i algorytmy diagnozowania, IV Krajowa Konferencja Diagnostyka Techniczna Urządzeń Diag 98, Szczecin- Międzyzdroje Ystad 1998, Tom 1, s Cempel Cz., Proste metody prognozowania stanu w drganiowej diagnostyce maszyn, Materiały VII Szkoły Diagnostyki, Poznań Rydzyna Cieślak M. (red.), Prognozowanie gospodarcze, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej, Wrocław Drobiszewski J., Salamonowicz T., Smalko Z., Wybrane problemy metodologii prognozowania technicznego, XXXI Zimowa Szkoła Niezawodności, Metody prognozowania w inżynierii niezawodności, Szczyrk Girtler J.: Optymalizacja przedziału czasu między kolejnymi obsługami profilaktycznymi urządzeń technicznych z uwzględnieniem diagnostyki, VII Krajowe Sympozjum Eksploatacji Urządzeń Technicznych, Systemy Eksploatacji, Radom Kozubnik 1993, s Kluj S., Diagnostyka urządzeń okrętowych, Studium Doskonalenia Kadr WSM w Gdyni, Gdynia Lancaster P., A Finger on the Pulse. One Approach for Remote Monitoring, Diagnosis and Maintenance of Marine Diesel Engines, II International Scientifically-Technical Conference Explo-Diesel & Gas Turbine 01 Gdańsk Międzyzdroje Kopenhaga April 2001, Vol. 1, s Lipiec-Zajchowska M. (red.), Wspomaganie procesów decyzyjnych, Tom II. Ekonometria, Wydawnictwo C.H. Beck, Warszawa Łuczak A., Mazur T., Fizyczne starzenie elementów maszyn, WNT, Warszawa Niziński S., Michalski R., Diagnostyka obiektów technicznych, Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom Radzikowska B. (red.), Metody prognozowania. Zbiór zadań, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej, Wrocław Tomaszewski F., Zagadnienia wyznaczania stanu technicznego złożonego obiektu mechanicznego za pomocą sygnału wibroakustycznego na przykładzie silnika spalinowego pojazdu szynowego, Rozprawy. Politechnika Poznańska, Poznań 1998, nr Treichel P., Ocena zależności wybranych parametrów pracy okrętowego silnika spalinowego napędu głównego, Zeszyty Naukowe AM w Szczecinie nr 1 (73), Szczecin 2004, s

10 15. Treichel P., Analiza zmian wybranych parametrów pracy okrętowego silnika spalinowego napędu głównego, Zeszyty Naukowe WSM nr 68, Szczecin 2003, s Treichel P., Polek W., Zastosowanie analizy trendu w procesie eksploatacji silnika okrętowego, I International Scientifically-Technical Conference Explo-Diesel & Gas Turbine 98, Szczecin-Kopenhaga 1998, s Zeliaś A., Teoria prognozy, wyd. 3, Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa Żółtowski B., Leksykon diagnostyki technicznej, Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz Żółtowski B., Podstawy diagnostyki maszyn, Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz Recenzenci doc. dr inż. Anatoly Motorny dr hab. inż. Jerzy Listewnik, prof. AM Adres Autora mgr inż., of. mech. okr. II kl. Akademia Morska w Szczecinie Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych Zakład Siłowni Okrętowych ul. Wały Chrobrego 1/2, Szczecin Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r. 458