ROZDZIAŁ VII EKSPERYMENTY DIAGNOSTYCZNE

Transkrypt

1 ...eksperyment powiksza nasz mdro, miałe zamiary padaj dziki trwodze... ROZDZIAŁ VII EKSPERYMENTY DIAGNOSTYCZNE 7.1 Wprowadzenie 7.2 Obserwacja, dowiadczenie, eksperyment 7.3 Planowanie eksperymentów 7.4 Formy eksperymentów diagnostycznych 7.5 Specyfika eksperymentów diagnostycznych 7.6 Ogólne zasady eksperymentowania 7.7 Komputerowe wspomaganie eksperymentu 7.8 Człowiek w badaniach diagnostycznych 7.9 Podsumowanie Literatura

2 ROZDZIAŁ VII EKPERYMENTY DIAGNOSTYCZNE 7.1 Wprowadzenie Współczesne maszyny i urzdzenia to złoone układy dynamiczne zarówno pod wzgldem funkcjonalnym jak i konstrukcyjnym oraz przestrzennym. Proces ich wytwarzania i eksploatacji pochłania ogromne iloci pracy, surowców i energii. Szybki wzrost wymaga w stosunku do technicznych parametrów maszyn i urzdze, przy równoczesnym deniu do zmniejszenia kosztów wytwarzania i eksploatacji, spowodował zasadnicze przeobraenia w metodach projektowania, kontroli produkcji i eksploatacji. Liczne przypadkowe uszkodzenia, niespodziewane awarie oraz zagadnienia zwizane z uszkodzeniami spowodowanymi procesami zuyciowymi i starzeniowymi uzasadniaj potrzeb prowadzenia bada diagnostycznych, stanowicych podstawowe ródło informacji o zmieniajcym si stanie. W tym rozdziale przedstawiono zagadnienia metodycznego programowania eksperymentów diagnostycznych dla potrzeb opracowania metody badania diagnostycznego, z wyrónieniem nowych tendencji praktyki badawczej. W kolejnoci omówiono problematyk planowania eksperymentów, ich formy i specyfik oraz ogólne zasady eksperymentowania. Zwrócono te uwag na konieczno komputerowego wspomagania eksperymentów oraz rol człowieka w badaniach diagnostycznych. Wprowadzeniem do tej tematyki jest wyrane zakrelenie moliwych sposobów realizacji bada diagnostycznych, porzdkujce pojciowo dotychczasowe wieloznaczne okrelenia rónych form realizacji dowiadcze. 7.2 Obserwacja, dowiadczenie, eksperyment W ostatnich latach nastpił szczególny rozwój metodyki bada dowiadczalnych, zwanej teori eksperymentu. Złoono obiektów zmusza do przeprowadzania dowiadcze obejmujcych coraz to wiksz liczb badanych wielkoci. Wystpuj przy tym trzy istotne fakty, które spowodowały powstanie teorii eksperymentu: - po pierwsze: liczba kombinacji wartoci czynników badanych przekracza praktycznie moliwoci realizacji dowiadcze; - po drugie: nie wszystkie czynniki mog by badane oddzielnie, gdy wpływ jednego czynnika na wynik badania zaley czsto od wartoci innego czynnika dotychczas z rónych przyczyn nie uwzgldnianego w realizowanym dowiadczeniu; - po trzecie: istniej czynniki, których wartoci nie mona ustali na stałym poziomie, a nawet s czynniki w ogóle niemierzalne lub po prostu nie znane, które jednak wpływaj na wynik dowiadczenia.

3 W ten sposób niemoliwe stało si zachowanie w dowiadczalnictwie klasycznej koncepcji determinizmu, które naleało poszerzy o metody statystyki matematycznej oraz włczy w proces badania nowoczesnych technik informatycznych. Dało to pocztek teorii eksperymentu (TE) obejmujcej nastpujc problematyk: - modelowanie analityczne obiektów bada (MA); - programowanie bada dowiadczalnych (PBD); - analiz wyników badania (A). Jak wynika z rys. 7.1 przedstawione problemy s zespolone w jedn cało i wystpuj w rónych etapach realizacji eksperymentu. Teoria eksperymentu powstała pod presj de do po- TEORIA EKSPERYMENTU PROGRAMOWANIE MODELOWANIE BADA ANALIZA ANALITYCZNE DOWIADCZALNYCH WYNIKÓW Rys.7.1 Schemat struktury teorii eksperymentu. prawy efektywnoci bada naukowych, rozumianej jako stosunek iloci i jakoci informacji naukowej do poniesionych kosztów i czasu bada. Poniewa badanie złoonych obiektów wymaga uwzgldnienia wielu czynników n wpływajcych na wynik kocowy z, to niezbdne jest wyznaczenie z bada funkcji wielu zmiennych w postaci: z = F( x1, x2,..., x i ) (7.1) Liczba pomiarów okrelana jest wic z zalenoci: n = n n... n... n (7.2) 1 2 Mona łatwo obliczy, e dla i=10, ni = 10, std n = skd wynika, e gdyby jeden pomiar trwał 1 godzin, to czas bada kompletnych mona oszcowa na około 1 mln lat. Teoria eksperymentu umoliwia na pocztku okrelenie celu i metod analizy wyników pomiarów, a potem dopiero przyjcie odpowiedniego planu dowiadczenia i realizacje pomiarów. Plan dowiadczenia musi równoczenie uwzgldnia postulat, aby liczba pomiarów wymaganych według tego planu była moliwie mała. W naukach empirycznych tworzenie wartociowych informacji poznawczych jest zawsze uzalenione od sposobu przeprowadzenia bada empirycznych, majcych na celu zebranie odpowiednich wyników pomiarów lub weryfikacj sformułowanych hipotez i zało- e badawczych[4, 7]. Wród bada empirycznych rozrónia si (rys.7.2) : - obserwacje; - dowiadczenia; - eksperymenty. Obserwacje maj miejsce wtedy, gdy badacz B lub system badajcy B moe tylko odbiera sygnały pochodzce z systemu badanego S i nie wywiera na ten system adnego wpływu. Zrozumienie odbieranych sygnałów przez badajcego B dostarcza mu informacji o ródle owych sygnałów. Na rys.7.2 A). przedstawiono najprostszy schemat badania empirycznego. Badany system S posiada wartociowe dla badajcego B informacje zawarte w zbiorach Is1 oraz Is2. Na skutek niedoskonałoci aparatury pomiarowej, ułomnoci badajcego lub innych losowo-uzalenionych przyczyn, co ilustruje filtr F1, system B otrzymuje tylko k i

4 pewien podzbiór Is2 wartociowych informacji. Korzystajc z wiedzy badacza WB pobiera on IWB informacji, które wykorzystuje do przetworzenia informacji Is2. Jeeli system B nie wykorzysta wszystkich wartociowych informacji, tracc informacje zbioru IB1-co ilustruje filtr F2, to wyprowadza na zewntrz ich cz IB2 jako kocowy zbiór informacji Ik. Informacje te s take gromadzone przez badajcego B, zwikszajc jego wiedz WB.

5 A). OBSERWACJA WB I wb I S1 SYSTEM Badacz I B2 I K I S2 I B1 F 1 F 2 B). DOWIADCZENIE M(S ) I WB1 WB I MS1 I B1 I WB1 I B2 SYSTEM I S1 Badacz IB2 I K C). EKSPERYMENT I R M(S)1 I WB1 I B2 M(S) I B2 WB ISP Badacz SYSTEM I S1 I B2 =I K I K2 I K1 I i1 Komputer Bank I S1 I i2 informacji I i3 I B2 Rys. 7.2 Specyfika bada empirycznych: obserwacja (A), dowiadczenie (B) oraz eksperyment (C). Schemat badania empirycznego polegajcego na przeprowadzaniu dowiadcze pokazano na rys. 7.2 B), w którym wystpuje dodatkowo blok wiedzy badacza o modelu matema-

6 tycznym lub fizycznym M(S). W celu uproszczenia opisu i schematu nie zaznaczono ju w tym i nastpnym schemacie filtrów F1 i F2, mimo i istniej one równie i odgrywaj identyczn rol co poprzednio. Badajcy system B korzystajc ze swej wiedzy WB opracowuje przy pomocy zbioru wartociowych informacji IWB1 model badanego systemu, optymalizujcy przebieg badania. Warto informacji IB2 wytworzonych przez system B jest zdecydowanie wieksza ni w poprzednim przypadku. Eksperyment, którego schemat badania pokazano na rys.7.2 C) w porównaniu z dowiadczeniem róni si dodatkowym wprowadzeniem nastpujcych urzdze: - informatycznych systemów pomiarowych ISP, przekazujcych bezporednio informacje do komputera; - komputera o konfiguracji wynikajcej z celu badania; - banku informacji w zewntrznej pamici komputera; - systemem sterowania stanami badanego systemu S za pomoc sygnałów Ir. Ten schemat badania systemu S pozwala na uzyskiwanie informacji o jeszcze wikszej wartoci ni poprzednio. Z banku informacji na kade danie moliwe jest uzyskiwanie dodatkowych informacji o badanym systemie S. Przebieg procesu tworzenia wartociowych informacji poznawczych przez system badajcy B na systemie empirycznym S ilustruje schemat pokazany na rys.7.3. System badajcy B składa si zawsze ze zbioru ludzi oraz aparatury pomiarowej. System ten posiada wiedz o badanym obiekcie S w postaci zbioru Ip. Podczas bada system B otrzymuje o systemie B Informacje posiadane IP SYSTEM S Informacje uzyskane empirycznie IS METODY PRZETWARZANIE INFORMACJI ALGORYTMY M P = [ Ip, Is, M, A] A WARTOCIOWE INFORMACJE POZNAWCZE I Rys.7.3 Schemat procesu wytwarzania nowych informacji wartosciowych. S informacje Is, które przetwarza metodami M i algorytmami A. Rezultatem tych działa s wytworzone informacje poznawcze I o badanym systemie S. W badaniach diagnostycznych podczas planowania i realizacji pomiarów dla potrzeb oceny stanu maszyny znajduje zastosowanie najczciej eksperyment, w formie czynnej, biernej i bierno-czynnej, których charakterystyka została dalej omówiona. 7.3 Planowanie eksperymentów Badania diagnostyczne umoliwiaj okrelenie stanu technicznego maszyny, opracowanie wytycznych jego poprawy i prognozowanie dalszego uytkowania. Najefektywniej mona to wykona przez programowanie bada diagnostycznych, gdzie właciwie zaplanowany

7 eksperyment jest podstawowym ródłem informacji o obiekcie bada (jego aktualnym stanie, rozwijajcych si uszkodzeniach, symptomach odwzorowujcych stan) i stanowi podstaw opracowywanych procedur diagnostycznych. Planowanie eksperymentów prowadzi si dla potrzeb wyznaczenia (lub weryfikacji) podanego opisu matematycznego modelu obiektu, weryfikacji hipotez badawczych, obserwacji nowych faktów oraz ułatwienia oblicze w fazie opracowywania wyników. Przegld najczciej stosowanych programów bada dowiadczalnych pokazano na rys.7.4.programy bada dowiadczalnych w eksperymentach diagnostycznych mona podzieli na dwie grupy: PROGRAMOWANIE EKSPERYMENTÓW W DIAGNOSTYCE MASZYN EKSPERYMENT CZYNNY EKSPERYMENT EKSPERYMENT BIERNY BIERNO-CZYNNY PROGRAMY STATYCZNE PROGRAMY DYNAMICZNE uwarunkowany losowy optymalizacyjne adaptacyjne całkowity całkowity sekwencyjne ewolucyjne czciowy blokowy gradientowe sympleksowe jedno- wielo- kwadraty bezgradientowe czynnikowe łaciskie greckołaciskie - rzadko stosowane w diagnostyce Rys. 7.4 Systematyka eksperymentów w diagnostyce maszyn. - programy statyczne stosowane w eksperymentach czynnych i bierno-czynnych; - programy dynamiczne (sekwencyjne) - stosowane w eksperymentach biernych. Główn cech programów statycznych jest to, e wszystkie układy wartoci czynników badanych Xi (cech stanu), dla których bd przeprowadzane pomiary wartoci symptomów Sj zostaj okrelone jednoczenie przed rozpoczciem bada. Uzyskiwane kolejne wyniki pomiarów nie maj wpływu na program bada. Zaliczenie tych programów do grupy eksperymentów czynnych i bierno-czynnych wynika z faktu, e zgodnie z rys. 7.5 na kadym kroku badania znany jest wektor cech stanu X, przy zadanym i znanym Z,E = const oraz N-przypadkowym. Cech podstawow programów dynamicznych jest to,e przed rozpoczciem bada okrela si tylko jeden wybrany układ wartoci czynników badanych (cech stanu) Xi, od którego rozpoczyna si pomiary oraz ustala si procedur dla wyznaczenia kolejnego układu czynników badanych, uwzgldniajcych wynik poprzednich pomiarów. W tym przypadku w zastosowaniu bada diagnostycznych s to eksperymenty bierne, gdy Z,E=const, N-przypadkowe, X-szukane. Programy statyczne pozwalaj na okrelenie rodzaju, liczby i warunków pomiaru przed rozpoczciem bada, co znakomicie ułatwia ich przygotowanie techniczno-organizacyjne. Natomiast programy dynamiczne to sekwencje, z których kada uwzgldnia wyniki poprzednich pomiarów, co z kolei utrudnia techniczno-organizacyjn stron realizacji bada.

8 Naley od razu podkreli, e midzy tymi programami istnieje silne powizanie: pewne programy o zblionych zasadach mog by traktowane jako statyczne, albo przy pewnych niewielkich zmianach staj si programami dynamicznymi. Teoretycznie najlepsz drog do rozwizywania problemów bada dowiadczalnych jest właciwie zaprojektowana procedura eksperymentu. Planowanie to moe mie róny przebieg,zalenie od przedmiotu bada, celów poznawczych, charakteru danych informacji, wreszcie od procedur i technik badawczych jakie s dostpne w badaniach. Istniej jednak pewne ogólne reguły postpowania w procesie planowania,wane dla wszelkiego rodzaju problemów i procedur, przestrzeganie których wprowadza porzdek do procesu planowania i chroni badacza przed zaniedbaniami niekorzystnymi dla rezultatów bada. Istota przydatnoci teorii eksperymentu w planowaniu bada polega na tym, e właciwie dobrany program bada zapewnia: - wyznaczenie funkcji stanowicej matematyczny opis obiektu bada (model OB) i to funkcji o z góry przyjtej postaci; - ograniczenie ogólnej liczby pomiarów do rozsdnych, raczej małych wartoci. Realizacja tak formułowanych zada jest moliwa za pomoc odpowiednio dobranych do celów badania gotowych lub opracowanych planów. I tak: - jeeli celem bada jest wyznaczenie funkcji obiektu bada, to naley poszukiwa planu w grupie planów zdeterminowanych (uwarunkowanych); - jeeli celem bada jest weryfikacja istotnoci wpływu wielkoci wejciowych, to naley poszukiwa planu w grupie planów statycznych randomizowanych (losowych); - jeeli celem bada jest wyznaczenie ekstremum obiektu bada, to właciwe plany znajduj si w grupie planów optymalizacyjnych. Planowanie bada dowiadczalnych obejmuje nastpujce etapy bada: 1. charakterystyka obiektu bada, opracowujc j naley: - ustali stan wiedzy w zakresie tematu, a tym samym okreli zagadnienia wymagajce rozwizaniana drodze dowiadczalnej; - okreli zbiory wielkoci charakteryzujcych obiekt bada (wielkoci wejciowe, wyjciowe, stałe i zakłócajce); - okreli relacje midzy wielkociami, które naley rozpozna w wyniku bada dowiadczalnych; 2. cel bada dowiadczalnych dobrze okrelony stanowi podstaw powodzenia i najczciej dotyczy jednej z moliwoci: - wyznaczenia funkcji (modelu) obiektu bada, gdzie celem jest ustalenie zwizków midzy wszystkimi wielkociami wejciowymi a wielkoci wyjciow; - wyznaczenia stanu granicznego symptomów lub granic dla klasyfikacji zdatnoci i niezdatnoci badanych obiektów; - weryfikacja istotnoci wpływu wybranych wielkoci wejciowych na wielkoci wyjciowe na tle zakłóce losowych; 3. metoda bada dowiadczalnych dotyczy: - wyboru właciwego planu dowiadczenia; - okrelenia sposobu jego realizacji i liczby powtórze pomiarów; - okrelenia metod i rodków pomiarowych (stanowisko badawcze); 4. realizacja bada dowiadczalnych na przygotowanym stanowisku badawczym zgodnie z zasadami punktu 3; 5. analiza wyników i wnioskowanie prowadzone w zalenoci od realizowanego celu badania, dostpnymi metodami wnioskowania i narzdziami wizualizacji wyników; 6. wnioski z bada formułuje si w postaci: - wniosków poznawczych;

9 - wniosków utylitarnych (praktycznych); - rozwojowych, okrelajcych kierunki dalszych bada. W zastosowaniu do eksperymentów diagnostycznych najczciej rozwizywany jest problem okrelenia funkcji obiektu, poszukiwanie którego prowadzi si w oparciu o modelowanie empiryczne lub analityczne. Konieczno opracowania wystarczajco adekwatnych modeli matematycznych obiektu wynika z wielowymiarowoci diagnozowanych obiektów, zmian zbioru wartoci symptomów stanu pod wpływem rónorodnych czynników, w tym niemierzalnych zakłóce. Najbardziej rozpowszechniony jest model funkcjonalny (dekompozycja obiektu na bloki funkcjonalne z jednym wyjciem), który w wersji zmodernizowanej nazywa si "modelem zuywania si obiektu". Zawiera on w swoim opisie odwzorowanie "krzywych ycia" poszczególnych elementów, wybranych zespołów lub globalnie całych obiektów bada. Wyniki pomiarów uzyskanych w eksperymencie przedstawiaj warto dopiero po ich poprawnym opracowaniu. Decyduje o tym zarówno przyjty (lub nie) model badanego systemu empirycznego, jak te sposób interpretacji i formalizacja wyników pomiarów. Warto uzyskanych wyników zaley od właciwego zaplanowania i przygotowania eksperymentu diagnostycznego, na który składaj si : wytypowanie obiektów do bada, ustalenie rodzaju eksperymentu (czynny, bierny, bierno-czynny), ustalenie techniki prowadzenia eksperymentu (wybór zestawu aparatury, wybór punktów pomiarowych, sposób rejestracji wyników), okrelenie warunków realizacji pomiarów (rodzaj mierzonej wielkoci, dokładno pomiaru, czas trwania realizacji, sposób przetwarzania), przyjcie a priori wstpnego modelu obiektu bada (heurystyczny, dedukcyjny, analityczny, empiryczny), analiza statystyczna wyników okrelajca zwizki przyczynowo-skutkowe i błdy, ustalenie modelu diagnostycznego badanego obiektu (a posteriori), okrelenie zakresu słusznoci działania modelu (wartoci graniczne : techniczne i ekonomiczne), opracowanie procedury diagnostycznej dla zastosowa praktycznych. utworzenie "banku informacji" z uzyskanych danych pomiarowych. Planowanie eksperymentów diagnostycznych obejmuje zatem swym zasigiem zagadnienia główne zwizane z : * uzasadnieniem potrzeby eksperymentu, * wyborem formy eksperymentu diagnostycznego, * opisem modelu diagnostycznego obiektu, * generacj sygnałów diagnostycznych, * rejestracj, przetwarzaniem i selekcj informacji diagnostycznej, * wnioskowaniem diagnostycznym. Nowym zagadnieniem w wietle strategii eksploatacji obiektów według stanu technicznego [7] staje si problematyka racjonalnego planowania bada diagnostycznych. Dotyczy to zarówno optymalizacji okresowoci diagnozowa jak i zakresu diagnozowania [6,7].

10 7.4 Formy eksperymentów diagnostycznych Uznajc generalnie za słuszny przyczynowo - skutkowy model (stan - symptom) działania obiektu diagnostyki, uwzgledniajcy maszyn w ruchu z zaznaczeniem wej i wyj typu: zasilanie Z, sterowanie E, zakłócenia N, stan eksploatacyjny X i generowane symptomy stanu S, mona zgodnie z rys.5.11 obserwowalno stanu rzeczywistego zapisa zalenoci: S(θ,r) A(r) X(θ) + N(θ,r) (7.3) przy załoeniu: Z, E = const [7,8]. Obiekt bada w ujeciu potrzeb diagnostyki istnieje wic na trzech poziomach (miary czasu i przestrzeni): - na poziomie dynamiki z czasem dynamicznym t, gdzie generowane s sygnały i symptomy Sj (t, θ, Z, X, E, N); - na poziomie czasu ycia (eksploatacji) θ, od którego zaley stan obiektu X i generowane sygnały wyjciowe (procesy dynamiczne) wkorzystywane dalej w rozrónianiu stanu; - na poziomie rozległoci przestrzennej obiektu ze współrzdn r, zwizan z miejscem odbioru sygnału diagnostycznego. Łczne zakłócenia wystpujce zarówno na etapie odbioru sygnału S(θ, t, r) jak i na etapie tworzenia symptomów stanu Sj(θ) wskazuj na potrzeb ich minimalizacji w dziedzinach : r, t, θ, j [1,7]. Sytuacja ta generalna dla całej diagnostyki warunkuje potrzeb planowania optymalnych eksperymentów, uwzgldniajcych minimalizacj zakłóce i maksymalizacj wiarygodnoci decyzji diagnostycznej.

11 EKSPERYMENTY DIAGNOSTYCZNE CZYNNY BIERNO-CZYNNY BIERNY S,X - znane Z,E - const. (zadane, znane) N - przypadkowe S - znane X - znane krokowo Z,E - const. (zadane, znane) N - przypadkowe S - znane X - szukane Z,E - const. (zadane) N - przypadkowe - wybór przetwornika - wybór miejsc odbioru sygnału SYGNAŁ - wybór miar sygnału PROCESOR (analogowy, cyfrowy) SYMPTOMY, WARTOCI GRANICZNE METODY WNIOSKOWANIA SYMPTOM STANU PRAWDOPODOBNY DOMNIEMANY SYMPTOM STANU SYMPTOM STANU MODEL DIAGNOSTYCZNY OBIEKTU PROCEDURA DIAGNOSTYCZNA Rys.7.5 Podział eksperymentów diagnostycznych. [Oznaczenia: S-wektor symptomów, X-wektor cech stanu obiektu, Z-wektor zasile, E-wektor sterowa, N-wektor zakłóce]. Realizator bada ma zawsze dwa wyjcia: - opracowa własny plan bada, co szczególnie dla wikszej liczby wielkoci wejciowych jest bardzo ryzykowne, a czasem wrcz niemoliwe; - wybra z dostpnych dowiadcze literaturowych lub baz programów komputerowych jeden z typowych, gotowych programów teorii eksperymentu sporzdzonych dla rónych postaci załoonych funkcji obiektu bada. Eksperymenty diagnostyczne s warunkowane moliwociami ich realizacji i mog by prowadzone według jednego z trzech wariantów, pokazanych na rys.7.1. Celem realizowanych eksperymentów diagnostycznych jest wic : 1 - wybór diagnostycznych cech stanu; 2 - wybór sygnałów bdcych najlepszymi nonikami informacji diagnostycznej; (wybór symptomów diagnostycznych); 3 - rozpoznawanie stanu; 4 - budowa procedur diagnostycznych.

12 Eksperyment czynny Eksperyment czynny jest stosowany szczególnie w ustalaniu relacji "stan-sygnał" w warunkach laboratoryjnych z kontrolowan zmian cech stanu {X} i sterowania {E}.Mamy wic tu znane cechy stanu obiektu jak i wartoci odpowiadajcych im symptomów diagnostycznych. Jest on szczególnie przydatny w przypadkach krótkiego czasu na badania i niewielkiej iloci danych pomiarowych. Stosowany jest najczciej dla potrzeb identyfikacji i optymalizacji modelu matematycznego nowego lub modernizowanego obiektu. W zastosowaniach (rys.7.6) diagnostycznych kontrolowana zmiana stanu oznacza demonta zespołów, co oprócz Z S u OB y R wy Rys.7.6 Eksperyment czynny. {S-sterowanie, u-wymuszenia sterujce, OB-obiekt badania, Z-wymuszenia zewntrzne, y-wyjscia, R-przetwarzanie, wy-wynik eksperymentu]. kłopotów organizacyjnych jest równowane, po ponownym montau, innemu ("nowemu") egzemplarzowi maszyny. Praktyczne stosowanie tej formy bada w diagnostyce jest stosunkowo czste [1,2,3], chocia wymaga doboru odpowiedniej organizacji eksperymentu czynnego i jest moliwe w zasadzie tylko w warunkach laboratoryjnych. Eksperyment bierny Eksperyment bierny polega na badaniu obiektu w naturalnych warunkach jego pracy, bez znajomoci cech stanu {X}, a jedynie przy załoeniu jego sposobu zuywania si. Dysponujemy tu jedynie wynikami pomiarów diagnostycznych, a pozostaje problem zastosowania metody opracowania tych wyników i konstruowania modelu, który moliwie dobrze przyblia rzeczywisto [8]. Istota tej formy badania pokazana została na rys.7.7. Do ogranicze tej formy bada naley zaliczy : - długi czas zbierania koniecznej informacji w postaci wektora obserwacji {S}, - fragmentaryczno zebranych informacji ze wzgldu na niewielki zazwyczaj zakres zmian wartoci parametrów w czasie normalnej pracy, - moliwo skonstruowania błdnego modelu w przypadku pominicia istniejcych wspólnych zalenoci czynników wpływajcych na własnoci wyj modelu oraz wej sterujcych, przez nieznane dla eksperymentatora zakłócenia, - trudnoci obliczeniowe zwizane z wyznaczeniem analitycznej postaci modelu matematycznego [2,5]. Z OB y R wy Rys.7.7 Eksperyment bierny.

13 Powysze własnoci powoduj, e metody budowania modeli oparte na wynikach biernego eksperymentu diagnostycznego stosuje si tam gdzie: - wyniki pomiarów mog mie przybliony charakter jakociowy, np. w badaniach rozpoznawczych, - nie ma innej moliwoci przeprowadzenia eksperymentu np.urzdzenia bez regulacji, jednostkowe, odpowiedzialne itp., - wystarczy w zupełnoci prosta (np. liniowa) posta modelu oraz istniej warunki na prowadzenie długotrwałych obserwacji obiektu lub grupy obiektów. W tym ostatnim przypadku obserwuje si procesy fizyczne podczas naturalnego zuywania si obiektów, tworzc w kategoriach rónych symptomów diagnostycznych tzw. "krzywe ycia". Uzyskane wyniki kolejnych pomiarów daj składowe macierzy obserwacji umoliwiajce dalej poszukiwania ortogonalnych wektorów własnych o maksymalnym zasobie zmiennoci. Wykorzystywane s one w modelu diagnostycznym obiektu w postaci skadowych głównych wektora obserwacji [1,7,8]. Eksperyment bierno - czynny Eksperyment bierno - czynny polega na obserwacji sygnałów diagnostycznych, z równoczesnym pomiarem cech stanu dla jednej lub dwu wartoci czasu eksploatacji, jednak bez moliwoci ingerencji w wartoci cech stanu badanego obiektu. Typowym przykładem jednopunktowego zbierania danych to badania cech stanu tu przed planowan napraw maszyny, lub tu przed wyłczeniem maszyny z ruchu w obawie przed awari (na wniosek zespołu diagnostycznego). W takich wypadkach po demontau mona dokona pomiarów wszystkich interesujcych nas cech stanu. Idea takiego eksperymentu została pokazana na rys.7.8. Z u y wy OB R Rys.7.8 Eksperyment bierno - czynny. Lepszym wariantem jest dwupunktowe zbieranie informacji, gdzie bada cech stanu dokonuje si pierwszy raz z chwil uruchomienia maszyny, za drugi podobnie jak poprzednio, przy planowanej naprawie lub po zaistniałej awarii. W takim postawieniu eksperymentu, przy zastosowaniu statystycznych technik opracowania wyników bada mona uzyska solidne podstawy do wyraenia relacji "stan-symptom", wyznaczenia wartoci granicznych do dwustanowej klasyfikacji obiektów (zdatny/niezdatny). Przyjcie w badaniu diagnostycznym jednej z przedstawionych form eksperymentu jest warunkowane wieloma czynnikami, jak np.: - moliwoci realizacji danej formy eksperymentu i zmiennymi warunkami pracy obiektu; - rodzajem maskowania informacji diagnostycznej; - trudnociami wprowadzania okrelonych stanów zuycia lub stopnia uszkodzenia elementu; - nieznajomoci właciwoci torów rozprzestrzeniania si sygnałów w złoonym obiekcie. Sam przebieg (pomiar i wnioskowanie) realizowanej formy eksperymentu jest zaleny od szeregu czynników, wród których do najwaniejszych nale: - klasa badanych obiektów (proste, złoone); - charakter sygnału diagnostycznego (zakres zmiennoci, wartoci graniczne);

14 - wartoci i charakter oddziałujcych zakłóce; - przyjta metodyka analizy wyników pomiarów; - zasady wnioskowania dla dostpnego modelu badanego obiektu. Problematyka bada diagnostycznych, ze wzgldu na specyficzny charakter obiektów bada, warunków i miejsca realizacji tych bada, złoonoci sygnałów i sposobów ich przetwarzania w symptomy stanu, zrónicowane podejcie do wnioskowania diagnostycznego itd, wyranie wskazuj na pewn odmienno tej grupy realizowanych dowiadcze. 7.5 Specyfika eksperymentów diagnostycznych Coraz wiksza złoono współczesnych maszyn oraz masowo ich stosowania, stawiaj przed nimi rosnce wymagania, kształtowane i podtrzymywane w fazie wartociowania, konstruowania, wytwarzania i eksploatacji. Kontrol jakoci tych wymaga, czyli ich szeroko pojtego stanu, stwarza diagnostyka techniczna. Jest ona stosowana zarówno na etapie konstruowania - najczciej w formie eksperymentu czynnego - jako diagnostyka emisyjna, jak i na etapie wytwarzania - najczciej w formie eksperymentu bierno - czynnego - jako diagnostyka kontrolna oraz na etapie eksploatacji - najczciej w formie eksperymentu biernego - jako diagnostyka eksploatacyjna. Realizowane złoone procesy technologiczne umoliwiaj te wykorzystanie informacji o ocenianym procesie - w formie eksperymentu biernego - w diagnostyce procesu [1,7]. Specyfika realizowanych eksperymentów w poszczególnych fazach istnienia obiektu dla potrzeb opracowywania procedur diagnostycznych jest zawarta w omawianych wczeniej formach eksperymentów diagnostycznych. Eksperyment czynny za cen ingerencji w normalne warunki pracy obiektu (programowane zmiany stanu X) jest czsto jedynie moliwym podczas wyznaczania poprawnego modelu obiektu, szczególnie wtedy gdy czas zbierania danych i ich ilo s małe. Ma on jednak stosunkowo najlepiej przygotowane oprogramowanie planu przebiegu badania i wspomagany nowoczesnymi technikami informatycznymi jest niekiedy jedynie moliwy. Ze wzgldu na małe moliwoci modelowania zmian cech stanu badanego obiektu (kady demonta dla modelowania cech daje zupełnie inn maszyn; zmiany cech obiektu w czasie badania s małe lub czciej niezauwaalne) uyteczno tej formy bada jest niewielka. Ogranicza si zakres jego stosowania do badania wpływu obcie, sterowania i zakłóce na wartoci parametrów obserwowanych sygnałów. Chocia spotyka si czsto prace z obszaru diagnostyki oparte na eksperymencie czynnym, to jednak wiarygodno ich wyników nie jest tu dua. Szczególnie istotna, warta wyrónienia jest specyfika biernych i bierno-czynnych eksperymentów diagnostycznych, których stosowanie w praktyce jest czsto jedynie moliwe. Te formy eksperymentów s moliwe do realizacji w warunkach normalnego funkcjonowania maszyn, w których zachodz zauwaalne dla badajcego procesy destrukcyjne odwzorowywane w mierzonych sygnałach diagnostycznych. Istniej jednak tu take pewne ograniczenia w zakresie pełnego zrealizowania wymogów eksperymentu, których specyfika jest charakteryzowana poprzez : - niemono tworzenia dowolnych układów planu eksperymentu, gdy zmiany składowych modelu eksperymentu s ograniczone cigłoci procesu produkcyjnego; - wystpowanie szczególnie silnych oddziaływa wielkoci zakłócajcych (warunki produkcyjne) i nie zawsze w pełni odwzorowane wartoci składowych modelu obserwacji np. obcie, zasila, sterowa itd; - specyficzne warunki bada przemysłowych wymuszajce potrzeb posiadania specjalistycznej aparatury (przenonej, iskrobezpiecznej itp.);

15 - brak moliwoci (uzasadnionej planem eksperymentu) sterowania liczb i czasem pomiaru. Ograniczenia te wymuszaj potrzeb dokładnego zaplanowania przebiegu i organizacji eksperymentów diagnostycznych,a take stosowanie komputerowych technik akwizycji i przetwarzania pozyskanych wyników [2,7]. Ponadto zawsze trzeba pamita, e realizowane eksperymenty diagnostyczne winny doskonali i poszerza istniejce modele diagnostyczne obiektów bada o własnoci identyfikacji stanu (zdatny, niezdatny), właciwoci eksploatacyjne (co od czego zaley?) oraz właciwoci prognostyczne (co kiedy bdzie?). Specyficzne dla diagnostyki maszyn s zadania, które w wyniku realizacji eksperymentu winny da odpowied na pytania: - jak działaj podzespoły maszyny oraz maszyna jako cało? - jakie s aktualne wartoci symptomów stanu maszyny? - w jakim stopniu spełnione s wymagania techniczne? - jak oceni niezawodno funkcjonaln maszyny? - gdzie naley poszukiwa uszkodze? - jakie s przyczyny zaistniałych uszkodze? - jakimi rodkami przywróci nominalny stan maszyny? - w jaki sposób przeciwdziała powtarzaniu si uszkodze? Eksperymenty diagnostyczne winny umoliwia ilociow ocen i pogłbion analiz procesów destrukcyjnych zachodzcych w maszynach, głównie na etapie uytkowania oraz obsługiwania. Pogłbiona analiza wyników eksperymentu bdca podstaw podejmowanych decyzji eksploatacyjnych winna zawiera odpowiedzi na pytania uytkowników: - jak skutecznie rozpoznawa stan techniczny maszyny? - jak długo i pod jakimi obcieniami moe funkcjonowa maszyna do kolejnego obsługiwania technicznego? - jak zmieni obcienie maszyny dla zachowania jej zdatnoci zadaniowej? - jakie stosowa najkorzystniejsze sposoby i rodki odnowy maszyn? - jak zabezpieczy maszyny przed destrukcyjnym działaniem czynników zewntrznych? Tylko kompleksowe stosowanie diagnostyki i efektywnych procedur diagnozowania stanu maszyn, wyodrbnionych w eksperymentach diagnostycznych daj gwarancj niezawodnego funkcjonowania maszyn w przyjtych strukturach eksploatacji. 7.6 Ogólne zasady eksperymentowania Realizacja bada eksperymentalnych wymaga wykonania kilku kompleksowo zgrupowanych zespołów czynnoci, takich jak: - sformułowanie celów i programu bada; - przygotowanie stanowiska badawczego; - prowadzenia bada według przyjtego planu; - opracowanie wyników pomiarów.

16 Zmiana OBIEKT Pomiary wielkoci BADA wielkoci wejciowych wyjciowych Warstwa sterowania ekspe rymentem PROGRAM BADA Redukcja danych Wizualizacja wyników Badanie modelu Porównanie wyników pomiaru z przewidywaniem Przewidywanie wyników eksperymentu Warstwa przetwarzania da nych i oceny wyników Sformułowanie celów Model obiektu Wnioski Zmiany i warunków bada bada o stanie obiektu modelu Warstwa decyzji EKSPERYMENTATOR Rys.7.9 Organizacja prac eksperymentalnych. Organizacj czynnoci podczas przebiegu eksperymentu mona schematycznie przedstawi jak na rys.7.9, wyróniajc: - warstw bezporedniego sterowania eksperymentem, polegajcego na uzmiennianiu wielkoci wejciowych i wykonywaniu pomiarów zgodnie z planem bada; - warstw przetwarzania wstpnego i dokładnego danych pomiarowych, badania modelowe i porównywanie ich z danymi pomiarowymi; - warstw decyzji, w której eksperymentator na podstawie otrzymanych wyników czciowych dokonuje korekt dalszego przebiegu eksperymentu, zmian w modelu i obiekcie. Wymienione czynnoci s pracochłonne, ich realizacja natomiast kosztowna z powodu złoonoci i wysokich kosztów eksploatacji współczesnych stanowisk badawczych. Prowadzenie bada jest wic coraz czciej przedmiotem automatyzacji i wspomagane jest nowoczesnymi technologiami informatycznymi. Schemat podstawowych czynnoci eksperymentatora, wynikajcy z zakresu ogółu prac eksperymentalnych pokazano na rys PROJEKT EKSPERYMENTU ORGANIZACJA REALIZACJA DECYZJA O KONTYNUACJI PRZETWARZANIE Rys Schemat czynnoci eksperymentatora.

17 Poprawne zrealizowanie eksperymentu obejmuje zatem elementy badania naukowego w postaci niej podanych zagadnie : - postawienie problemu i hipotez roboczych, - okrelenie materiału dowodowego weryfikujcego przyjte hipotezy, - wskazanie aspektów uogólniajcych sformułowanego problemu, - przyjcie zakresu prowadzonych bada, - zaplanowanie kolejnych etapów bada, - rozwaenie potrzebnych rodków technicznych, finansowych i liczebnoci personelu. Główne etapy takiego podejcia obejmuj : 1. Etap modelowania moliwych relacji : uszkodzenie - symptom diagnostyczny; 2. Etap eksperymentalnych bada diagnostycznych; 3. Etap tworzenia ilociowego modelu diagnostycznego. Realizacje kolejnych elementów zadania diagnostycznego obejmuje : - budow modelu funkcjonowania obiektu diagnostyki, - opracowanie systemu wykorzystania informacji zawartej w procesach wyjciowych (model obserwacji + algorytmy dyskryminacji symptomów); - budow układu decyzyjnego zwizanego z podejmowaniem decyzji diagnostycznych. Kady eksperyment diagnostyczny winien obejmowa zatem: - przyjcie a priori wstpnego modelu matematycznego obiektu bada (heurystyczny, dedukcyjny, empiryczny ); - wybór metodyki bada dowiadczalnych wg wymaga eksperymentu czynnego, biernego lub bierno - czynnego; - analiz statystyczn wyników, okrelajc zwizki przyczynowo - skutkowe i błdy; - analiz merytoryczn uzyskanych wyników, - ustalenie modelu diagnostycznego obiektu (a posteriori), - opracowanie procedury diagnostycznej dla zastosowa praktycznych. Analizujc elementy główne kadego eksperymentu uwzgldniajce obiekty bada (w losowo rónym stanie), opis generowanych sygnałów jak i sposoby ich przetwarzania mona stwierdzi, e wszelkie własnoci diagnostyczne wyraane s w kategoriach losowych. Te losowe własnoci powoduj, e wszystkie stwierdzenia w diagnostyce s wyraane w kategoriach prawdopodobiestw z okrelonym poziomem ufnoci. Warunkuje to potrzeb stosowania nowoczesnych metod i technik badawczych dla uzyskania maksimum prawdopodobiestwa wypracowywanych decyzji. Wydaje si mało prawdopodobne, by sformułowanie pełnego i zarazem dostatecznie ogólnego wykazu zasad praktycznych realizacji bada było moliwe. Niemniej jednak, poniej podano zestawienie pewnej liczby pyta, które istotnie wpływaj na wyniki eksperymentów: - czy problem badawczy został właciwie sformułowany? - czy cel bada jest precyzyjnie okrelony? - czy przyjto właciwy plan bada? - czy umiejtnoci zespołu odpowiadaj wymogom planu bada? - jak wyglda bilans potrzeb wynikajcych z planu bada w zakresie czasu pracy, rodków rzeczowych i finansowych? - czy narzdzia i metody badawcze zostały sprawdzone pod wzgldem rzetelnoci i skutecznoci; - jakich trudnoci i zakłóce mona oczekiwa w toku realizacji bada? - jakie przedsiwzito rodki dla zauwaenia istniejcego rozwizania problemu lub jego braku? - czy w planie bada uwzgldniono ewentualn konieczno formułowania i rozwizywania zada pomocniczych i pobocznych?

18 - jakie ustalono zasady analizy wyników czciowych? - czy ustalono zasady zmiany planu bada warunkowane przez wyniki czciowe? - jaki przyjto sposób opisu materiału badawczego? Przy formułowaniu wyników zrealizowanego eksperymentu naley poda rzetelne odpowiedzi na nastpujce pytania: - czy i w jakim zakresie rozwizano problem badawczy? - w jakich dziedzinach nauki i praktyki znajdzie zastosowanie uzyskane rozwizanie? - jakie nowe problemy wyłaniaj si w zwizku z wynikami bada? - jak przebiegała realizacja planu bada? - jak naley oceni zastosowane metody i narzdzia badawcze? - jakie wystpiły zakłócenia w trakcie bada (czasowe, merytoryczne, sprztowe)? - co wynika z pozyskania nowej wiedzy w zakresie sformułowanego problemu badawczego? 7.7 Komputerowe wspomaganie eksperymentu Nowoczesne technologie informatyczne coraz szerzej wkraczaj w sfer bada diagnostyki technicznej, szczególnie w zakresie: 1. wspomagania zagadnie problematyki identyfikacji, modelowania i symulacji zachowa obiektów bada dla potrzeb diagnostyki; 2. realizacji i sterowania przebiegiem rónych form eksperymentów diagnostycznych; 3. wnioskowania i podejmowania decyzji diagnostycznych; 4. opracowywania wyników bada i zakładania baz danych; 5. optymalizacji zarzdzania systemem eksploatacji sterowanym metodami i rodkami diagnostyki techniczne. Wykorzystanie komputerów podczas bada eksploatacyjnych preferuje róne formy eksperymentów, gdzie istnieje moliwo automatycznej akwizycji danych, przetwarzania i wnioskowania maszynowego. Take w eksperymentach tych istnieje moliwo programowanej ingerencji w zmiany stanu (zachowa) badanych obiektów, co znacznie ułatwia rozwizywanie problemów modelowania i symulacji. Podstawowe funkcje realizowane przez system obsługi eksperymentu, budowany w oparciu o nowoczesne technologie informatyczne pokazano na rys ANALIZA WYMIAROWA PLANOWANIE EKSPERYMENTU REALIZACJA EKSPERYMENTU S O E PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW ESTYMACJA MODELI LINIOWYCH EKSPERYMENT WIELOSTOPNIOWY Rys Struktura systemu obsługi eksperymentu (SOE). Przykładowe zadania, które s moliwe do realizacji w eksperymencie wspomaganym komputerowo, s nastpujce :

19 - pomiary wielkoci fizycznych w wielu punktach pomiarowych, - pomiar czstotliwociowego rozkładu spektralnego wielkoci szybkozmiennych, - oddzielenie sygnału uytecznego od szumów rónymi metodami, np.metod uredniania, - odczytywanie jednoczesne wskaza stanu wielu przyrzdów, takich jak : woltomierzy cyfrowych, czstociomierzy i innych, - sterowanie prac przyrzdów pomiarowych i całych stanowisk, - wydruki wyników bada, - przedstawienie danych na ekranie monitora graficznego, - wyprowadzenie danych w postaci wykresów na urzdzeniu rysujcym, - dyskretyzacja danych przedstawianych w postaci wykresów i rysunków, - zapamitywanie duych iloci danych do dalszej obróbki, - biece przetwarzanie danych podczas eksperymentu, - przesyłanie danych do innych systemów komputerowych, - wykonywanie prostych oblicze w trybie interakcyjnym, - sterowanie eksperymentem, obejmujce klasyczne planowanie eksperymentu jak równie sterowanie rodkami technicznymi wyposaenia stanowiska badawczego, umoliwiajce automatyzacj eksperymentu, - dialog eksperymentatora z systemem, umoliwiajcy ingerencj w przebieg i sposób przetwarzania jego wyników. Rónorodno obiektów technicznych i realizowanych zada powoduje rónorodno potrzeb w zakresie metod i rodków badawczych, w tym take metod i form komputeryzacji. Całociowe opracowanie przedstawionych problemów tworzy podstawy oczekiwanych systemów komputerowego wspomagania eksperymentów. Warto zaznaczy, e profesjonalne oprogramowanie planowania eksperymentu jest bardziej rozwinite od oprogramowania realizacji i opracowania wyników samego eksperymentu, od których oczekuje si: - wikszej odpornoci na przetwarzanie danych zawierajcych grube błdy; - zwikszonej odpornoci na niedokładnoci w specyfikacji modelu; - stosowania nieliniowych algorytmów przetwarzania danych; - przetwarzania on-line zwizanego z szybkimi urzdzeniami wprowadzania i wyprowadzania danych pomiarowych; - poszerzenia moliwoci i niezawodnoci algorytmów identyfikacji zjawisk opisywanych równaniami róniczkowymi i rónicowymi. Wydaje si, e mimo znacznego postpu podstawowe problemy uytkowników komputerowych systemów eksperymentalnych skupiaj si dalej wokół zagadnie sprzgania komputera z obiektem oraz z potrzeb wizualizacji danych wielowymiarowych wraz z moliwociami animowanej eksploracji w dowolnie zadanych kierunkach. Postp w dziedzinie technologii cyfrowej oraz w informatyce nie jest jednak w stanie zastpi opónie w zakresie metodologii eksperymentu i tworzenia modeli o charakterze poznawczym. Nowym wyzwaniem dla metodologii eksperymentu s dokonane na przestrzeni kilkunastu ostatnich lat odkrycia w zakresie dynamiki procesów znajdujcych si daleko od punktów równowagi i wykazujcych zachowania chaotyczne. 7.8 Człowiek w badaniach diagnostycznych Odpowiedzialno człowieka za poprawne działanie najczciej zautomatyzowanych systemów technicznych, mimo wsparcia nowoczesnymi technologiami informatycznymi,

20 wcale si nie zmniejszyła. Skomputeryzowane systemy badania i sterowania s najbardziej podatne na błdy popełniane przez operatora w rozumowaniu, kojarzeniu i wnioskowaniu, które s niebezpieczne przede wszystkim dlatego, e ujawniaj si zwykle dopiero swoimi skutkami gdy jest ju za póno na odwrócenie działa. Istotnym zagroeniem s równie błdy w procedurach pracy i niedopatrzenia nadzoru, czyli błdy w zarzdzaniu eksploatacj systemu technicznego. Z tego powodu poszukuje si intensywnie metod wykrywania ródeł błdów człowieka i takich rozwiza konstrukcyjnych i organizacyjnych, które zredukuj wpływ błdów ludzkich na bezpieczestwo systemu. Niedoskonałoci człowieka w badaniach eksperymentalnych powoduj podobne skutki, wprowadzajc ograniczenia co do poprawnoci ich rezultatów. Rol człowieka w badaniach dowiadczalnych mona omówi w dwóch aspektach : jako twórcy i jako uytkownika. Twórca bada uznaje potrzeb ich podjcia a nastpnie po przeprowadzeniu analizy celowoci i moliwoci podjcia bada, precyzuje cele bada. Z celem badania łczy si opracowanie zada, których wykonanie ma umoliwi realizacj celów bada. Po tym naley: - dokona krytycznej analizy stanu zagadnienia w literaturze, - zorganizowa zespół badawczy, - ustali załoenia badawcze i formy pracy zespołu. Treci merytoryczne w pracy zespołu (jak i pojedyczego badacza) obejmuj : - opracowanie modeli matematycznych i hipotez wyjaniajcych stan obiektu diagnostyki, - opracowanie programu bada, - przeprowadzenie pomiarów, - opracowanie i interpretacja uzyskanych wyników, - ocen stopnia potwierdzenia hipotez wyjaniajcych, - sformułowanie wniosków oraz przedstawienie zalece, - opracowanie sprawozdania z bada. Efektywno działania i wykorzystania moliwoci obiektu zaley od współdziałania badaczy z tym obiektem. Krótkie cykle robocze z wieloma rozruchami i zatrzymaniami na tle zmiennych stanów otoczenia, cigłe zmiany czynnoci, natenie hałasu, toksyczno spalin, ograniczona widoczno i owietlenie miejsca pracy, obserwacja urzdze sygnalizacyjnych itp. powoduj szybkie zmczenie i wyczerpywanie si zdolnoci do prawidłowych zachowa badajcego. Prawidłowe współdziałanie człowieka z obiektem, traktowanym jako system antropotechniczny, stawia okrelone wymogi dla jego stanu psychofizycznego, wród których do najbardziej ogólnych zalicza si : - indywidualne cechy badacza, - stopie wykształcenia, - zgodno wymaga techniki z cechami badacza, - motywacje działania, - organizacja pracy, - stan zdrowia, - stan obiektu technicznego, - stan otoczenia. Przedstawione uwagi maj decydujcy wpływ na wyniki prowadzonych eksperymentów diagnostycznych, przy czym zagadnienie roli człowieka w systemach antropotechnicznych jest dopiero postrzegane w aspekcie wzajemnego oddziaływania obiektu i człowieka. Współczesne systemy techniczne rozpatruje si coraz czciej jako złoone obiekty techniczne typu: obiekt techniczny-operator-rodowisko i nazywa si je systemami antropotechnicznymi. Na stan niezawodnociowy takiego systemu maj wpływ:

21 trwało i niezawodno obiektu technicznego, niezawodno pracy operatora, wpływ otoczenia. Ocena stanu technicznego takiego systemu zawiera kadorazowo conajmniej dwa elementy (przy załoeniu rodowiska=const) : ocena stanu systemu technicznego, ocena stanu operatora. Wpływ zmian stanu obiektu na zagroenie bezpieczestwa działania (zagroenia dla otoczenia, operatora, pogorszenie jakoci wytworów) to dziedzina zainteresowa teorii bezpieczestwa. Ocena zmian stanu obiektów technicznych, to z kolei dziedzina zainteresowa diagnostyki technicznej. Ocen warunków pracy i stanu operatora zajmuje si ergonomia i prakseologia, przy czym dla potrzeb systemu antropotechnicznego zagadnieniem głównym jest wyrónienie i kształtowanie tych cech operatora, które prowadz do wyeliminowania sytuacji niebezpiecznych i powoduj wzrost niezawodnoci systemu antropotechnicznego Zagadnieniem trudnym do rozwizania w praktycznych zastosowaniach jest ustalenie zwizku, okrelajcego wpływ zawodnoci działania operatora na zmiany stanu technicznego i zagroenia bezpieczestwa obiektu technicznego. Dotychczasowe osignicia wielu dziedzin nauki pozwalaj na podjcie próby ustalenia zwizku pomidzy zawodnoci człowieka a zmian stanu obiektu technicznego. Z tego wynika konieczno kształtowania cech operatora istotnych dla niezawodnoci systemu antropotechnicznego. Analiza spotykanych w literaturze opisów układów: operator-obiekt techniczny-praca prowadzi do wniosku, e zasadnicza cz tego układu: układ operator - obiekt techniczny w procesie pracy charakteryzuje si wystpowaniem trzech faz: fazy percepcji, okrelanej równie mianem wejcie do układu. Polega ona na uzyskiwaniu przez operatora informacji (bezporednia obserwacja procesu produkcyjnego, odbiór informacji z urzdze pomiarowych, kontrolnych i sygnalizacyjnych). Uzyskane za pomoc receptorów informacje (od wyjcia na obiekcie technicznym do wejcia na receptorze) przekazywane s do centralnego systemu nerwowego, fazy pracy układu, w której dokonuje si transformacja uzyskanych informacji w centralnym systemie nerwowym, przetwarzanie prowadzce do podjcia decyzji. Nale- y tutaj doda, e centralny system nerwowy jest układem o wielu wejciach zewntrznych oraz wejciach wewntrznych (pami, spostrzeenia, odczucia, stresy itp.), fazy oddziaływania na urzdzenia sterujce, czyli fazy sterowania - okrelanej mianem wyjcia z układu. Funkcjonowanie wszystkich trzech faz układu operator-obiekt techniczny uzalenione jest od warunków pracy. Oprócz bowiem czynników psychofizjologicznych na prac układu rzutowa bd warunki organizacyjno-techniczne, takie jak owietlenie, czysto powietrza, ustawienie obiektu technicznego i operatora itp. Punktem wejcia do układu moe by proces spostrzegania, uzaleniony równie od zmczenia powodowanego uciliw postaw przy pracy, niewłaciwym rytmem pracy, nadmiernym hałasem itd. Bardzo wane, jeli nie decydujce znaczenie dla zapewnienia wymaganej niezawodnoci układu antropotechnicznego, ma okrelenie niezawodnoci jej najbardziej integralnego i najbardziej odpowiedzialnego ogniwa jakim jest operator. Dlatego poszukiwania właciwych kryteriów niezawodnoci pracy operatora zakładaj badania nie tylko aktualnych, lecz równie potencjalnych cech człowieka, zakładaj analiz rezerw, którymi rozporzdza. Naley mie wiadomo, e owe rezerwy nie s wielkoci stał, zmieniaj si one w toku ycia danej jednostki. Trzeba równie pamita, e przy

22 badaniu działalnoci operatora niesłychanie trudno jest ustali stopie trwałoci tej lub innej cechy. Zasadniczymi tego przyczynami s nastpujce fakty: na niezawodno w znacznym stopniu rzutuje funkcja inteligencji, któr najogólniej mona okreli jako zdolno adaptacji zachowania si operatora w sytuacjach nieoczekiwanych lub nowych (nie zaprogramowanych ), zmiana zachowania si człowieka i jego wewntrz ustrojowych procesów maj charakter cigły, a poszczególne wyodrbnione stany maj granice rozmyte, na zdolno do pracy człowieka maj wpływ genetyczne uwarunkowania przystosowawcze oraz poziom wytrenowania, rozumiany jako wyuczenie wiadomoci teoretycznych i wywiczenie umiejtnoci ruchowych, w najbardziej optymalnych warunkach funkcje wewntrz ustrojowe i zdolno do pracy podlegaj wahaniom zgodnie z prawami biorytmiki, organizm człowieka podatny jest na emocjonalne pobudzenie orodkowego układu nerwowego, które w pewnych przedziałach ma efekt usprawniajcy, a w innych - utrudniajcy wykonywanie pracy, w działalnoci zespołowej moliwo wykonania pracy zaley w duym stopniu od jej organizacji i stosunków interpersonalnych, charakter działania człowieka nie jest liniowy, jego odpowied na bodce lub sytuacje jest najczciej nieliniowa tj. nieproporcjonalna do intensywnoci i jakoci pobudzenia. Jednym z najbardziej pogldowych modeli opisujcych zachowanie si człowieka podczas sterowania obiektem technicznym jest model Rasmussena, który charakteryzuje si nastpujcymi cechami (rys.7.12): podaje ogólny schemat zachowania si operatora w sterowaniu systemami technologicznymi i zrobotyzowanymi, WIEDZA Okrelenie Problemu CELE Ocena sytuacji i zasobów Opracowanie Strategii Planowanie Strategii REGUŁY ODRUCHY Rozpoznanie Problemu (Sytuacji) Aktywacja Odbiór bodców Skojarzenie: Sytuacja-Zadanie (Przegld Reguł) Zautomatyzowane Wzory Zachowa (Odruchy) Wybór Jednej Procedury Do Realizacji Działanie Manipulacja Sygnały (Bodce) CEL - WYNIKI Kontrola Akcja Rys.7.12 Model Rasmussena opisujcy zachowanie si operatora w sterowaniu obiektem technicznym

23 w sterowaniu procesami wyrónia działania operatora: formułowanie celu, okrelenie docelowego wyniku, dobór rodków, wykonanie akcji, ocen wyników na poziomie odruchów, reguł i wiedzy, mechanizm waha efektywnoci, zmiany zachowa w wyniku stresu, zmczenia, treningu oraz adaptacji w rodowisku pracy, umoliwia klasyfikacj typowych błdów i badanie ich przyczyn, oraz ocen wpływu czynników zewntrznych na efektywno działania w zadaniach o rónym stopniu ryzyka, jest wygodnym narzdziem do analizy zachowa operatorskich oraz projektowania komunikacji operatora z systemem. W eksploatacji systemów antropotechnicznych nie szuka si przyczyn błdów w psychice człowieka, lecz stara si zidentyfikowa i usun te okolicznoci w warunkach pracy, które sprzyjaj powstawaniu błdów (tablica1). Sposoby podnoszenia niezawodnoci operatora sprowadzaj si zatem do trzech moliwych rodzajów działa: polepszenia sytuacji pracy,(np. zasugerowanie projektantom systemu sposobu rozwizania wybranej konfiguracji sprztowej); oddziaływania na personel (szkolenie, podnoszenie kwalifikacji, współzawodnictwo); wspomaganie operatora w podejmowaniu decyzji i w diagnostyce uszkodze. Tablica 1. Typowe formy błdów operatorskich (wg Rasmussena). Poziom konigitywny Odruchy Reguły Wiedza Typ działania Sterowanie, odczyty Podejmowanie decyzji Rozwizanie problemów Typowe błdy działania Błdy manipulacyjno - - percepcyjne błd w sterowaniu błd w odczycie przeoczenie sygnału Błdy podejmowania decyzji: błdy rozpoznania sytuacji błdy wyboru procedury Błdy rozumowania: przewidywania oceny sytuacji planowania kojarzenia diagnozy Przykładowe przyczyny błdnych działa słaby refleks, roztargnienie błdna koordynacja czasowoprzestrzenna wady ergonomiczne przyrzdów słaba ostro działania poszczególnych zmysłów(wzrok, słuch) zapominanie reguł działania błd w kolejnoci działa uruchomienie niewłaciwej procedury działania niepełna informacja o sytuacji bazowanie na domysłach nieuwzgldnienie skutków ubocznych błdne wnioskowanie zakłócenia z zewntrz Ryzyko błdu małe (0,0001-0,001) rednie (0,001-0,01) due (0,01-1,0) Do przewidywania niezawodnoci (rys.7.13) działa operatora wybrano jako główne nastpujce kryteria (istotne z punktu widzenia niezawodnoci działania systemu antropotechnicznego): 1) czas odpowiedzi (np. czy operator dostatecznie szybko reaguje na dane wejciowe lub te czy czas, w jakim wykonuje przewidziane dla niego zadanie, odpowiada stawianym przez system techniczny wymaganiom),