Bogdan �ÓŁTOWSKI

SEMINARIUM DYPLOMOWE

ZASADY PISANIA PRAC DYPLOMOWYCH

ATR

BYDGOSZCZ 1997

BOGDAN �ÓŁTOWSKI

SEMINARIUM DYPLOMOWE

(ZASADY PISANIA PRAC DYPLOMOWYCH)

Je�li my�lisz rok naprzód, zasiej ziarno, Je�li my�lisz dziesi�� lat naprzód, zasad� drzewo,

Je�li my�lisz sto lat naprzód, kształ� ludzi,

Zasiewaj�c ziarno, raz zbierzesz plon, Sadz�c drzewo, zbierasz plon dziesi�ciokrotny,

Kształc�c ludzi (i siebie), zbierasz plon stukrotny.

(anonimowy poeta chi�ski, VI wiek przed Chrystusem)

BYDGOSZCZ 1997

...gdy masz co� czyni�, długo si� rozmy�laj, pr�dko rozprawiaj, ko�ca na wszem patrzaj.

Kto nie rozmy�la, co ma przypa�� z czego, pocz�tku nigdy nie ma gruntownego... ( M.REJ )

PRZEDMOWA Od kilku lat w wi�kszo�ci uczelni w Polsce s� prowadzone seminaria dyplomowe, podczas których zapoznaje si� studentów z metodologi� bada� naukowych, w tym równie� z metodyk� pisania prac promocyjnych. Znajomo�� tej problematyki w zakresie nauk empirycznych jest szczególnie potrzebna studentom wydziałów technicznych, by koszty ponoszone przez społecze�stwo na uprawianie tych nauk dawały szybkie i wymierne korzy�ci praktyczne. Dla praktyki nie ma nic bardziej cennego od dobrych, to znaczy poprawnie zbudowanych i przez praktyk� wystarczaj�co potwierdzonych teorii naukowych. Zrozumienie tego, czym jest nauka, wiedza i twórczo�� naukowa, to główne zagadnienia realizowanych wykładów seminarium dyplomowego. Dla zrozumienia nauki i jej roli we współczesnym �wiecie konieczna jest znajomo�� sposobów tworzenia i doskonalenia teorii naukowych, formułowania hipotez i twierdze� naukowych, sprawdzania tych teorii, hipotez i twierdze�. Zapoznanie studentów z powy�sz� problematyk� winno przygotowa� ich do prowadzenia samodzielnych bada� naukowych, co znajduje potrzeb� ju� podczas realizacji pracy dyplomowej. Praca dyplomowa jest zwie�czeniem studiów i odbiciem znajomo�ci przez absolwentów problematyki prowadzenia prac naukowo-badawczych, a tak�e metodyki opracowywania i pisania prac dyplomowych. Student powinien w niej wykaza� si� znajomo�ci� przedmiotu, opanowaniem literatury w zakresie opracowywanego tematu oraz umiej�tno�ci� stosowania naukowych metod pracy i twórczego posługiwania si� nabyt� wiedz�. Ten zakres wiedzy jest tre�ci� wykładu z zakresu metodyki pisania pracy dyplomowej. Rozwj techniki mikrokomputerowej, jej szybkie nasycanie laboratoriów naszych uczelni, umo�liwia szerokie jej stosowanie podczas opracowywania prac dyplomowych. Planowanie i realizacja bada�, akwizycja wyników, ich prezentacja i merytoryczne opracowanie s� poprawnie mo�liwe jedynie przy wspomaganiu komputerowym. Zagadnienia te w postaci minimum niezb�dnej wiedzy s� przedstawiane w ramach problematyki komputerowego wspomagania bada�. Odr�bnym zagadnieniem ł�cz�cym przedstawione składowe wykładu jest aktywizacja studentów w ich realizacji. Obejmuje ona praktyczny udział słuchaczy w omawianiu problemów merytorycznych, jak i nauk� samodzielnego referowania i dyskutowania zagadnie� zwi�zanych z przygotowywan� prac� dyplomow�. Przedstawione zagadnienia stanowi� tre�ci merytoryczne tego opracowania, wychodz�cemu naprzeciw zapotrzebowaniu wymogom współczesnego rozwoju nauki i techniki, a niezb�dnych ka�demu absolwentowi kierunku technicznego. Brak opracowa� zwartych tego typu dla potrzeb kształtowania warsztatu naukowo-badawczego i pisarskiego studentów ostatnich lat studiów stanowi zach�t� do podj�cia trudu opracowania tego skryptu. Skrypt ten nie zostałby napisany gdyby nie inspiracja studentów, długoletnie do�wiadczenie autora w zakresie pracy z dyplomantami, a tak�e gor�ca zach�ta ze strony wykładowców seminarium dyplomowego.

28.02.1997. Autor

SPIS TRE�CI WPROWADZENIE CZ�� PIERWSZA: SEMINARIUM DYPLOMOWE ROZDZIAŁ I SEMINARIUM DYPLOMOWE 1.1 Struktura tematyczna seminarium 1.2 Formy realizacji 1.3 Elementy metodologii pracy naukowej 1.4 Metody bada� naukowych ROZDZIAŁ II ZMIANY STANU MASZYN 2.1 Wst�p 2.2 Maszyna jako obiekt bada� 2.3 Zu�yciowe procesy dynamiczne 2.4 Model destrukcji maszyn 2.5 Ewolucja stanu technicznego maszyn 2.6 Kształtowanie jako�ci maszyn ROZDZIAŁ III BADANIA MASZYN 3.1 Wst�p 3.2 Obserwacja, do�wiadczenie, eksperyment 3.3 Planowanie eksperymentów 3.4 Formy eksperymentów 3.5 Specyfika realizowanych eksperymentów 3.6 Ogólne zasady eksperymentowania 3.7 Komputerowe wspomaganie eksperymentów 3.8 Eksperymenty symulacyjne 3.9 Człowiek w eksperymencie ROZDZIAŁ IV REALIZACJA BADA 4.1 Wst�p 4.2 Modelowanie obiektów bada� 4.3 Klasyfikacja modeli 4.4 Pozyskiwanie informacji 4.5 Przetwarzanie informacji 4.6 Obrazowanie informacji 4.7 Warto�ci graniczne miar stanu 4.8 Okresowo�� bada�

CZ�� DRUGA: ZASADY PISANIA PRAC DYPLOMOWYCH ROZDZIAŁ I METODYKA REALIZACJI PRACY DYPLOMOWEJ 1.1 Wst�p 1.2 Wybór tematu pracy 1.3 Rodzaje prac dyplomowych 1.4 Metodyka wykonywania pracy 1.5 Konstrukcja pracy 1.6 Gromadzenie literatury 1.7 Technika pisania pracy ROZDZIAŁ II OPRACOWANIE WYNIKÓW BADA 2.1 Wst�p

2.2 Porz�dkowanie i grupowanie danych 2.3 Metody prezentacji danych 2.4 Ocena współzale�no�ci

2.5 Podsumowanie ROZDZIAŁ III OBRONA PRACY I EGZAMIN DYPLOMOWY 3.1 Wst�p 3.2 Recenzja pracy dyplomowej 3.3 Egzamin dyplomowy 3.4 Egzamin in�ynierski 3.5 Przykład autoreferatu DODATKI D 1. PUBLIKACJE NAUKOWE D 2. O PRACY NAD KSI��K� BIBLIGRAFIA POSŁOWIE

...trzeba studentom naszych wy szych uczelni technicznych

zaszczepi� zmysł naukowy; ...trzeba przyszłych kierowników przemysłu natchn�� wiar�

w nauk� i zapozna� ich przede wszystkim z metod� naukow�... W P R O W A D Z E N I E Aktualnie obowi�zuj�ce programy studiów przewiduj� na jednym z ostatnich semestrów realizacj� przedmiotu SEMINARIUM DYPLOMOWE. Tre�ci tego przedmiotu obejmuj� zagadnienia metodologii bada� naukowych i metodyki pisania pracy dyplomowej. Według ramowego programu przedmiotu, celem tych zaj�� jest przygotowanie studenta do prowadzenia samodzielnych bada� naukowych oraz prezentacji swoich dokona� w postaci pracy dyplomowej lub te� innych opracowa� naukowych. Wszystko to musi by� oparte o najnowsze zdobycze nauki i techniki badawczej, a poparte znajomo�ci� zasad pi�miennictwa naukowego. Zaproponowana w tym opracowaniu struktura wykładu "seminarium dyplomowego" obejmuje nast�puj�ce zagadnienia : - blok zagadnie� metodologii bada� naukowych, - sesje spontanicznego my�lenia ( cz.1 referowania), - blok zagadnie� metodycznych: a) zmiany stanu maszyny, b) badania maszyn, c) realizacja bada�, d) metodyka realizacji pracy dyplomowej, e) opracowanie wyników bada�, - autoreferaty prac dyplomowych ( cz.2 referowania), - metodyka przygotowania egzaminu i obrony pracy. Tre�ci tego skryptu zawieraj� w formie skróconej wybrane tre�ci tych zagadnie�, pozostawiaj�c miejsce na indywidualne sposoby realizacji zada� przedmiotu, odmienne dla ka�dego prowadz�cego. Przedstawione tre�ci wykładu i jego struktura s� wi�c tylko propozycj�, modyfikowan� indywidualnie przez prowadz�cych wykłady. Specyfika studiów technicznych okre�la jednoznacznie zakres merytoryczny najcz��ciej podejmowanych w pracach dyplomowych problemów do rozwi�zania. St�d w kolejnych punktach przedstawiono główne zagadnienia zmian stanu badanych maszyn, prowadzenia bada� i opracowywania uzyskanych wyników. W drugiej cz��ci opracowania przedstawiono szczegółow� metodyk� pisania pracy dyplomowej w zakresie minimum wiedzy dla realizuj�cego prac� dyplomow�. By uchroni� słuchaczy przed nadmiernym stresem wywoływanym obron� pracy i egzaminem dyplomowym, szczegółowo omówiono tak�e przebieg obrony oraz zaproponowano regulamin egzaminu in�ynierskiego. W formie zał�czników przedstawiono zasady pi�miennictwa i publikacji pracy naukowej, do której ka�dy absolwent powinien by� przynajmniej sygnalnie przygotowany. Nie maj�c wzorców podobnego opracowania przyj�to zało�enie, �e niniejsze opracowanie powinno zawiera� takie informacje, które s� niezb�dne ka�demu pocz�tkuj�cemu w problematyce bada� i opracowywaniu wyników swoich dokona�.

"... kto si� wielu dróg chwyta nie idzie, lecz bł�dzi; drog� trzeba zobaczy�, zanim si� na ni� wst�pi... ".

ROZDZIAŁ I

SEMINARIUM DYPLOMOWE

1.1.Struktura tematyczna seminarium. Seminarium dyplomowe wprowadza słuchaczy w tajemniczy �wiat bada� naukowych i stanowi pierwszy element na drodze do samodzielnej pracy badawczej i edytorskiej. Na jego tre�ci składaj� si� wybrane zagadnienia metodologii pracy naukowej, samodzielnego referowania i dyskutowania zagadnie� naukowych oraz zasady pi�miennictwa naukowego. Dla potrzeb słuchaczy wydziałów technicznych proponowane tre�ci merytoryczne seminarium winny obejmowa� : - w zakresie metodologii pracy naukowej: * organizacja placówek naukowych, * badania naukowe, * organizacja bada�, * informacja naukowo-techniczna, * ocena prac naukowych, * badania i pomiary, * komputerowe wspomaganie bada�; - w zakresie pi�miennictwa naukowo-technicznego: * rodzaje pisarstwa naukowego, * zadanie i zasady pisarstwa, * j�zyk pracy naukowej, * układ pracy naukowej, * układ graficzny pracy, * terminologia naukowa, * zasady edytorstwa; - w zakresie metodyki pracy słuchaczy: * sesje spontanicznego my�lenia, * autoreferaty, * przygotowanie egzaminu i obrony pracy. W tym opracowaniu zasygnalizowane zostan� jedynie wybrane zagadnienia powy�szego wykazu problematyki seminarium, gdy� szczegółowy sposób i zakres ich realizacji pozostawia si� prowadz�cemu przedmiot. 1.2 Formy realizacji. Seminarium dyplomowe składa si� zazwyczaj z kilku integralnie zwi�zanych ze sob� cz��ci. Ogólnie w pierwszej cz��ci wykładowca omawia zagadnienia metodologii pracy naukowej i zasady pisarstwa naukowego. Wprowadza w ten sposób słuchaczy w problematyk� bada� naukowych, ich realizacj� i zasady ich opisywania. Jest tu te� miejsce na podanie sposobów formułowania tematu pracy dyplomowej na tle okre�lonego problemu badawczego, sposobów okre�lania hipotez badawczych, celu głównego i celi szczegółowych pracy. W tej cz��ci seminarium stawia si� zadanie słuchaczom do samodzielnego wykonania krytycznej oceny stanu

literatury tematu pracy oraz podaje si� im informacje dotycz�ce przygotowania ich pierwszych samodzielnych wyst�pie�. W cz��ci drugiej seminarium słuchacze w ramach sesji spontanicznego my�lenia, referuj� problematyk� i koncepcj� swej pracy dyplomowej na tle dotychczasowego stanu wiedzy opisanego w dost�pnej literaturze. Podczas referowania nale�y wyja�ni� jak doszło do sformułowania danego tematu, okre�li� problem badawczy, hipotezy robocze, cel główny pracy, cele szczegółowe, poda� koncepcj� jej wykonania i omówi� dost�pne dane literaturowe oraz wynikaj�ce st�d wnioski. Referowanie powinno by tre�ciwe i zwi�złe. Czas referowania jest zwykle ograniczony (około 15 min.), nale�y zatem unika� podawania danych nie wi���cych si� z tematem. Sesje spontanicznego my�lenia charakteryzuj� si� zbiorowym generowaniem my�li uczestników zebrania i prowadzi do wielu oryginalnych pomysłów i propozycji rozwi�za� doskonal�cych przedstawiane koncepcje prac. Kombinacje wygenerowanych pomysłów stymuluj� inwencj� uczestników i sprzyjaj� nowatorskim pomysłom. W trakcie sesji zabrania si� prowadzenia krytyki przedstawianych koncepcji realizacji pracy jak i zgłaszanych pomysłów. Oczywistym jest, �e w�ród proponowanych rozwi�za� mog� pojawi� si� równie chybione lub wr�cz nierealistyczne pomysły, ale i one s� cz�sto warto�ciowe, poniewa� mog� wyzwoli� ciekawe koncepcje u innych uczestników sesji. Po tych wyst�pieniach słuchacze realizuj� pod nadzorem promotorów, publicznie ju� zreferowane i zaakceptowane tezy swoich prac dyplomowych. W tym czasie jest mo�liwo�� zrealizowania przez wykładowc� zagadnie� z zakresu metodyki bada� naukowych, zasad planowania i realizacji bada�, pisania pracy dyplomowej, jej oceny, przebiegu obrony pracy i egzaminu dyplomowego. Po wykonaniu przez słuchaczy cz��ci do�wiadczalnych swoich prac winna mie� miejsce kolejna cz��� seminarium, w której dyplomanci referuj� uzyskane wyniki. W tych autoreferatach nale�y poda� u�ci�lony ostatecznie temat i cel pracy, zreferowa� co zostało zrobione i jakie uzyskano wyniki, sposób ich opracowania oraz wnioski wynikaj�ce z pracy. Ogólna dyskusja, umiej�tnie kierowana i w razie potrzeby podsycana przez prowadz�cego seminarium, jest miar� aktywnego uczestnictwa słuchaczy w seminarium. W ko�cowej cz��ci seminarium mo�na przeprowadzi� próbn� obron� pracy, przygotowuj�c� do obrony pracy i egzaminu dyplomowego. Seminarium dyplomowe zalicza si� na podstawie aktywnego w nim udziału oraz oceny przebiegu dwukrotnego referowania pracy własnej dyplomanta. Poza seminarium dyplomant powinien okresowo (nie rzadziej ni� co miesi�c) konsultowa� si� ze swym promotorem w celu zapoznania go z post�pami w swej pracy, uzyskania porady w zakresie napotykanych trudno�ci i otrzymania odpowiednich wskazówek metodologicznych. 1.3 Elementy metodologii pracy naukowej. Praca naukowa jest szczególn� form� pracy twórczej, z zadaniem poj�ciowego odzwierciedlania rzeczywisto�ci (poznawanie, stwierdzanie, odkrywanie prawdy). Cech� znamienn� pracy naukowej jest : - odzwierciedlanie, czyli poznawanie dotychczas nie znanych cz��ci rzeczywisto�ci lub ich układów; - wywoływanie, przy pomocy odpowiednich �rodków technicznych, zjawisk w przyrodzie w sposób "naturalny" nie wyst�puj�cych i ich poznawanie; - konstrukcja poj�� lub modeli opartych na naukowym odzwierciedlaniu bytu, słu��cych pracy badawczej lub dla okre�lonych form społecznej walki o byt (np. nauki techniczne). W naukach technicznych poznawanie fragmentów rzeczywisto�ci oraz konstrukcja poj�� lub wzorów wystpuj� ł�cznie.

Charakterystyczn� cech� pracy naukowej jest poszukiwanie nowych faktów naukowych, wi�zanie faktów w nowe teorie naukowe, jak te� krytyka dotychczasowych osi�gni�� naukowych. Koniecznymi warunkami pracy naukowej s� twierdzenia o metodach pracy, formułowanie problemów i nowych hipotez naukowych. Mimo, i� istotnym celem pracy naukowej jest poznawanie prawd, to na ogół pracownicy naukowi nie mówi� o prawdach, lecz o wynikach bada� i o sposobach ich uzyskiwania. W naukach technicznych badania naukowe winny spełnia� funkcje poznawcze i utylitarne, których znaczn� cz��� realizuje si� za pomoc� matematycznych modeli systemów empirycznych. Daje to mo�liwo�� zast�powania eksperymentów naturalnych - eksperymentami sztucznymi, znacznie ta�szymi, krótszymi czasowo, zmniejszaj�cymi ryzyko niepowodze� podejmowanych działa� oraz koszty ich realizacji. W tym zakresie ogromne mo�liwo�ci stwarza komputerowe wspomaganie bada�, szczególnie technika symulacji komputerowej-umo�liwiaj�ca racjonalne i efektywne projektowanie nowych i doskonalenie istniej�cych systemów, jak i prognozowanie rozwoju techniki. Spełnianie funkcji poznawczych wyra�a si� w mo�liwo�ci realizowania przez teorie nast�puj�cych celów : - naukowego wyja�niania obserwowanych faktów empirycznych, - systematyzowania posiadanej wiedzy, - ułatwienia kontroli prawdziwo�ci posiadanej wiedzy, - wykrywania zwi�zków, ujednolicania i uogólniania wiedzy, - wykrywania niespójno�ci i braków w wytworzonym aktualnie modelu rzeczywisto�ci, - formułowanie nowych problemów wymagaj�cych zbadania, - wytyczanie nowych kierunków bada�. Do funkcji utylitarnych, maj�cych znaczenie dla praktyki, jakich spełnienia oczekuje si� od sformalizowanej teorii nale�y : - kształtowanie �rodowiska przez projektowanie nowych oraz przekształcanie i doskonalenie istniej�cych systemów, - prognozowanie zmian �rodowiska, wywołanych praktyczn� działalno�ci� człowieka, - przewidywanie nowych faktów empirycznych. Dla praktyki nie ma nic bardziej cennego od dobrej, a wi�c przez praktyk� potwierdzonej teorii. METODOLOGIA - WIEDZA - NAUKA. METODOLOGIA to nauka o metodach, a wi�c sposobach działania w badaniach naukowych. Ogólna metodologia nauk zajmuje si� sposobami uzasadniania twierdze�, metodami konstrukcji systemów nauk, poj�ciem rozumowania metod� dedukcyjn� i indukcyjn�, a tak�e porz�dkowaniem zbioru twierdze� stanowi�cych dorobek nauki. Dla jasno�ci wywodu, rozumowanie dedukcyjne polega na wyprowadzeniu z jednego lub wi�kszej liczby zda� jakiego� nast�pstwa, tj. zdania, które z tamtych wynika logicznie. Metoda indukcyjna za�, to sposób post�powania wła�ciwy naukom technicznym polegaj�cy na dokonywaniu obserwacji, do�wiadcze� i eksperymentów, wyprowadzaniu uogólnie� z ustalonych faktów, formułowaniu hipotez i ich weryfikacji. Ka�da nauka szczegółowa posiada własn� metodologi� nauk. METODYKA BADA� to zbiór norm (przepisów) okre�laj�cych swoiste dla danej nauki sposoby post�powania dla osi�gni�cia okre�lonego celu naukowego. METODA jest to sposób działania stosowany �wiadomie dla realizacji zamierzonego celu badawczego, mo�liwy do wielokrotnego powtarzania w podobnych przypadkach. WIEDZA (naukowa lub utylitarna) to uporz�dkowany zbiór informacji wytworzonych przez człowieka w wyniku jego zwi�zków z przyrod� lub systemami abstrakcyjnymi jakie sam tworzy. Wiedz� naukow� charakteryzuje :

- systematyczne wyja�nianie badanych prawidłowo�ci, - ujawnianie zwi�zków mi�dzy zdaniami zawieraj�cymi informacje wiedzy utylitarnej (zdroworozs�dkowej), - okre�lanie granic bł�dów mi�dzy faktami z teorii a danymi z bada� eksperymentalnych, - wi�ksza łatwo�� negowania twierdze� wiedzy naukowej ni� pogl�dów wiedzy utylitarnej, - formułowanie wniosków na podstawie metod bada� naukowych. Wiedz� utylitarn� charakteryzuje wi�ksza nieokre�lono��, przejawiaj�ca si� : - w nieostro�ci terminów, - w braku precyzji w charakteryzowaniu ró�nic mi�dzy przedmiotami, - w s�dach i pogl�dach nie opieraj�cych si� na metodzie naukowej, - w braku kontroli pogl�dów metodami naukowymi. Z punktu widzenia metodologii nauk technicznych wiedza naukowa gromadzi informacje poznawcze, uprzednio rozumowo i empirycznie uzasadnione przez nauk�. NAUKA (w sensie tre�ciowym) jest to gotowy wytwór okre�lonej działalno�ci badawczej. Okre�la j� system nale�ycie uzasadnionych twierdze� i hipotez zawieraj�cych wiedz� o zjawiskach i prawidłowo�ciach danej dziedziny rzeczywisto�ci, o sposobach jej badania i praktycznego przekształcania przez człowieka. Zawiera te� zasób obiektywnej wiedzy o przyrodzie, człowieku i społecze�stwie oraz o prawach ich zmian i rozwoju. NAUKA (w sensie funkcjonalnym) jest to ogół czynno�ci składaj�cych si� na działalno�� badawcz�, prowadz�c� do tworzenia i rozwijania nauki w sensie tre�ciowym, zgodnie z metodami zapewniaj�cymi obiektywne, zasadne i uporz�dkowane poznanie danej dziedziny rzeczywisto�ci. NAUKA (w sensie rzeczowym) jest to zespół kadr wraz z baz� materialno-techniczn�, który prowadzi jedn� z dziedzin działalno�ci społecznej, a mianowicie działalno�� badawcz�. ORGANIZACJA PLACÓWEK NAUKOWYCH. Naczelnym organem administracji pa�stwowej odpowiedzialnym za sterowanie rozwojem polskiej nauki jest Ministerstwo Edukacji Narodowej. Do zada� jego nale�y kierowanie placówkami naukowymi, jak i koordynowanie prac naukowych, finansowanych przez Komitet Bada� Naukowych, prowadzonych przez placówki podległe innym resortom. Placówki naukowe skupione s� zasadniczo w trzech pionach: * Polska Akademia Nauk jest najwy�sz� instancj� naukow� w Polsce inspiruj�c� i prowadz�c� badania naukowe, a tak�e reprezentuj�c� polsk� nauk� w kontaktach mi�dzynarodowych. * Szkolnictwo Wy�sze podległe Ministerstwu Edukacji Narodowej i ministerstwom resortowym, prowadz�ce zarówno działalno�� naukowo-dydaktyczn� jak i naukowo-badawcz�. * Placówki resortowe, bran�owe lub terenowe.

Do tej grupy zalicza si� instytuty naukowo-badawcze, centralne laboratoria, o�rodki badawczo-rozwojowe, zakłady bada� i do�wiadcze�, biura studiów i projektów, biura konsultacyjne. Placówki te podlegaj� ró�nym ministerstwom, centralnym urz�dom, organizacjom społecznym lub władzom terenowym. Poza tym nale�y wymieni� jeszcze: - placówki obsługi nauki-s� to: biblioteki naukowe, archiwa, muzea, o�rodki informacji naukowej, technicznej i ekonomicznej, biura dokumentacyjne, o�rodki normalizacji, o�rodki wynalazczo�ci i ochrony praw własno�ci;

- specjalistyczne towarzystwa naukowe np. Polskie Towarzystwo Ekonomiczne(PTE), Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej (PTDT), które prowadz� działalno�� naukow� oraz upowszechniaj� osi�gni�cia naukowe i propaguj� post�p techniczny; - rady naukowo-techniczne ministerstw, urz�dów centralnych i wojewódzkich, które wytyczaj� kierunki bada� stosowanych i prac wdro�eniowych. Nowo�ci� w tym wzgl�dzie s� powoływane coraz cz��ciej ró�nego typu o�rodki prywatne (szkoły wy�sze, colleges, itp.) zwane cz�sto "społecznymi". Główny ci��ar prac naukowych spada na barki pracowników naukowo-badawczych i naukowo-dydaktycznych. Do tej grupy pracowników zaliczane s� osoby zajmuj�ce stanowiska: profesora (zwyczajnego i nadzwyczajnego), docenta (okresowo), adiunkta, starszego asystenta i asystenta. W Polsce przyznawane s� dwa stopnie naukowe: doktora i doktora habilitowanego. Najwybitniejsi przedstawiciele nauki uzyskuj� stopnie Członka Korespondenta PAN lub Członka Rzeczywistego Polskiej Akademii Nauk. 1.4 Metody bada� naukowych Istnieje wiele metod badania naukowego, które mo�na pogrupowa� nast�puj�co: * metoda intuicyjna(heurystyczna); * metoda obserwacyjna; * metoda do�wiadczalna; * metoda eksperymentalna; * metoda statystyczna; * metoda symulacyjna; * metoda analizy logicznej; * inne. Specyfika ró�nych dziedzin nauki wykształciła swoiste narz�dzia badawcze preferuj�ce okre�lone metody badawcze, niekiedy ł�cz�ce w sobie kilka metod, a szczególnie wykorzystuj�ce metod� intuicyjn� prawie w ka�dym przypadku. Metoda obserwacyjna jest to sposób prowadzenia bada�, w którym obserwacja naukowa, traktowana jako proces uwa�nego i celowego spostrzegania, nie poci�ga za sob� zmian w badanym zjawisku. Cz�sto w metodzie obserwacyjnej u�ywa si� instrumentów ułatwiaj�cych obserwacje. Metoda do�wiadczalna opiera si� na z góry zaplanowanych do�wiadczeniach, składaj�cych si� na proces badania naukowego. Badacz posiada w tym przypadku pewn� wiedz� z zakresu matematycznego modelowania badanych zjawisk lub objektów. Metoda eksperymentalna polega na czynnej modyfikacji zjawiska lub obiektu bada�, celem poznania zale�no�ci mi�dzy osobnymi składnikami, b�d� warunkami przebiegu badanego zjawiska lub zmian cech objektu. W tym przypadku badacz oprócz wiedzy z modelowania matematycznego objektu/zjawisk ma mo�liwo�� czynnej ingerencji w badane stany lub cechy obiektów/zjawisk i badanie to jest wspomagane technik� rejestracji i przchowywania danych. Do metod eksperymentalnych zalicza si�: * eksperyment czynny - gdzie czynna ingerencja w stany badanego obiektu/zjawiska pozwala jednoznacznie odwzorowa� przebieg zmienno�ci wielko�ci opisuj�cych badane objekty/zjawiska; * eksperyment bierny - polegaj�cy na biernej obserwacji obiektu/zjawiska i opisem jego metodami statystyczno-matematycznymi. * eksperyment bierno-czynny - ł�cz�cy w sobie elementy eksperymentu czynnego i eksperymentu biernego.

Metoda statystyczna - pozwala ocenia� fakty zmienno�ci jednostkowej cech znamionuj�cych wiele cech przedmiotów/zjawisk tego samego rodzaju. Stosuje si� j� do opracowania dostatecznie wielkiego materiału spostrze�e� dotycz�cych danego zjawiska zmiennego i podanie uogólnie� naukowych. Umo�liwia badanie problemu rozsiewu jednej cechy zmiennej lub badanie problemu współzale�no�ci (korelacja, regresja) dwu lub wi�kszej liczby cech zmiennych. Metoda statystyczna cz�sto ma charakter pomocniczej techniki w obserwacji, do�wiadczeniu lub eksperymencie. Metoda symulacyjna polega na komputerowym badaniu zachowa� obiektu lub przebiegu zjawiska przy modelowanych parametrach modelu matematycznego. Słu�y do sprawdzania słuszno�ci zało�e� przyj�tego modelu i okre�lenia przyszłych zachowa� w zło�onych warunkach. Wypracowuje dane do realizacji bada� eksperymentalnych. Metoda analizy logicznej - polega na umysłowym eksperymentowaniu za pomoc� wielko�ci dokładnie ustalonych celem ustalenia ich wzajemnych relacji. Analiza logiczna nale�y do podstawowych operacji my�lenia poj�tego jako rozwi�zywanie problemów. Badanie naukowe jest to ogół czynno�ci, w obr�bie pracy naukowej, od powzi�cia i ustalenia problemu, a� do opracowania materiałów wł�cznie, jednak�e bez czynno�ci pisania pracy. Ustalenie tematu jako problemu, analiza dokona� w literaturze problemu oraz poprawne przyj�cie metody roboczej - to główne etapy działania przed badaniami wła�ciwymi. W nich to uzyskuje si� materiał naukowy do dalszego opracowania. Wymagaj� one cz�sto przeprowadzenia setek jednakowych pomiarów, a z tym zwi�zanej "benedykty�skiej" cierpliwo�ci. W badaniach wła�ciwych nale�y zadba� o prawidłowe ustawienie i funkcjonowanie aparatury, pomiary, ich odczyty, obserwacje i porównania wielko�ci nale�y wykona� z nale�yt� staranno�ci� i dokładno�ci�. METODA NAUKOWA Metod� naukow� nazywa si� ogół czynno�ci i sposobów niezb�dnych do rozwi�zywania problemów naukowych, pisarskiego ich opracowywania oraz oceny krytycznej wyników tych działa�. Główne składniki metody naukowej b�d�ce zarazem głównymi etapami pracy naukowej obejmuj�: * uzasadnienie problemu i wyłuszczenie zagadnie� pochodnych; * krytyka problemu w nawi�zaniu do dotychczasowych osi�gni�� danej dziedziny; * wyłuszczenie niezb�dnych hipotez, zało�e� lub twierdze�; * ustalenie metod roboczych, których opisowe uj�cie nazywa si� metodyk� bada�; * przeprowadzenie bada� rozpoznawczych, stanowiskowych i zasadniczych; * opracowanie szczegółowe materiałów zebranych w toku bada�; * opracowanie syntetyczne wyników bada� na podstawie opracowania szczegółowego; * pisarskie opracowanie przebiegu i wyników bada� w formie przyst�pnej dla recenzenta, promotora czy te� czytelnika o okre�lonym poziomie pzrygotowania; * krytyczne ustosunkowanie si� do przebiegu własnych bada� i uzyskanych wyników. W�ród prac naukowych rozró�nia si� prace: koncepcyjne, analityczne i syntetyczne, przyczynkowe i problemowe, teoretyczne i do�wiadczalne, indywidualne i zespołowe. Teoretycznymi nazywa si� prace naukowe oparte na znanych ju� faktach, a zmierzaj�ce do logicznego uporz�dkowania twierdze�, rozumowa� i wniosków, co zazwyczaj umo�liwia sformułowanie nowych problemów naukowych, zorganizowanie nowych odkry�. Praca do�wiadczalna uto�samiana jest najcz��ciej z prac� eksperymentaln�, coraz cz��ciej ujmuj�c� te� prace wykonane w oparciu o badania statystyczne.

Niezale�nie od rodzaju prac badawczych i stosowanych metod naukowych w rzeczywisto�ci spotyka si� hipotezy naukowe. Hipoteza jest naukowym przypuszczeniem co do istnienia danej rzeczy lub zjawiska w okre�lonym miejscu lub czasie oraz co do zwi�zku zale no�ci danych zjawisk od innych. Hipoteza naukowa zawarta w zało�eniach do rozwi�zywanego problemu nazywana jest hipotez� robocz�. Hipotezy powstaj� wsz�dzie tam, gdzie w problemie naukowym stawiane s� pytania: od czego ten fakt zale�y, w jakich powstaje warunkach, czego skutkiem jest ten fakt? Od jako�ci uzasadnienia problemu i przyj�cia wła�ciwych hipotez zale�y jako�� wszystkich dalszych etapów badania, poczynaj�c od metody naukowej, a ko�cz�c na jako�ci wyników. Wyniki bada� s� bowiem funkcj� metody naukowej, a ta z kolei zale�y od wła�ciwego ustawienia problemu. ORGANIZACJA BADA Badania naukowe dziel� si� na nast�puj�ce grupy: * badania podstawowe - s� to prace naukowe prowadzone w celu rozszerzenia wiedzy, skierowane na poznanie zjawisk �wiata rzeczywistego, na ustalenie ich wzajemnych zwi�zków i zbadanie prawidłowo�ci warunkuj�cych te zwi�zki. Prace te nie maj� na celu bezpo�redniego zastosowania praktycznego. * badania stosowane s� to prace naukowe podporz�dkowane okre�lonemu celowi praktycznemu, prowadz�ce do wykorzystania wyników prac badawczych podstawowych. Celem tych prac mo�e by� np. do�wiadczalne sprawdzenie wyników prac podstawowych, opracowanie zało�e� konstrukcji, technologii wytwarzania lub eksploatacji. * prace rozwojowe - prowadzone w celu sprawdzenia prawidłowo�ci rezultatów osi�gni�tych w pracach naukowo-badawczych wykonywane w okresie poprzedzaj�cym decyzje o zastosowaniu ich wyników w praktyce. Do prac rozwojowych zalicza si� te� prace z zakresu normalizacji, unifikacji i typizacji wyrobów, urz�dze� lub procesów technologicznych. * prace wdro�eniowe - s� to prace zwi�zane z uruchomieniem produkcji nowych i modernizowanych wyrobów, lub zastosowaniem nowych metod wytwarzania (nowej technologii, organizacji produkcji, mechanizacji i automatyzacji). Przygotowania organizacyjne podj�cia bada� obejmuj�: wst�pne ustalenie problemu, zało�enia odno�nie metody badawczej, przygotowanie wniosku badawczego a tak�e potrzeby aparatury, harmonogram bada�, potrzeby finansowe, materiałowe, potrzebne zatrudnienie, usługi obce itd. Wniosek badawczy precyzuje zło�ono�� problemu, temat zadania, ustala kierownika i wykonawców projektu, a tak�e instytucje współpracuj�ce. We wniosku opisuje si� genez� pracy, jej cel, program i sposób realizacji, wymagane warunki dla realizacji pracy oraz spodziewane efekty.Wniosek zawiera równie� harmonogram bada� i preliminarz bud�etowy. Zmodernizowany w Polsce system pozyskiwania �rodków na badania naukowe przewiduje mo�liwo�� wyst�powania z wnioskami o tzw. GRANTY, indywidualne, celowe i zadaniowe, które finansowane s� przez Komitet Bada� Naukowych. Zako�czenie bada� wła�ciwych wymaga szeregu czynno�ci organizacyjnych, obejmuj�cych: sprawozdawczo��, rozliczenie z zakupionej aparatury i maszyn, rozliczenie z umów i ostateczne rozliczenie finansowe.

... ustal chorob� na podstawie symptomów, dyskryminant i syndromów ...

ROZDZIAŁ II

ZMIANY STANU MASZYN

2.1 Wst�p Wi�kszo�� bada�, realizowanych w ramach wykonywanych prac dyplomowych przez słuchaczy wydziałów mechanicznych, dotyczy maszyn, zmian ich stanu technicznego lub charakteru procesów fizyko-chemicznych, towarzysz�cych ich funkcjonowaniu. Zasadne zatem jest przedstawienie w tym rozdziale maszyny jako obiektu bada�, procesów destrukcyjnych maszyny i ich ewolucji oraz ogólnych zasad kształtowania jako�ci maszyn. 2.2 Maszyna jako obiekt bada� Obiekty b�d�ce przedmiotem rozwa�a� w teorii i praktyce bada� zmian ich stanu, w zale�no�ci od potrzeb, s� traktowane zamiennie jako: urz�dzenia, maszyny, systemy, obiekty. Termin "maszyna" stosuje si� do urz�dze�, zawieraj�cych mechanizm lub zespół mechanizmów, słu��cy do przetwarzania energii lub wykonania okre�lonej pracy mecha-nicznej. Maszyna jest przetwornic� energii pobieraj�c� lub wytwarzaj�ca energi� mecha-niczn�. Cech� charakterystyczn� dla funkcjonuj�cej maszyny jest ruch. Na ogół ka�da ma-szyna składa si� z pewnych elementów (cz��ci, podzespołów), podział ten jest jednak wz-gl�dny, uzale�niony od ró�nych potrzeb, np. technologicznych, ekonomicznych, konstruk-cyjnych, itp. Ka�da maszyna charakteryzuje si� pewnymi cechami ogólnymi, a mianowicie: - ma okre�lone przeznaczenie (zbiór zastosowa�); - ulega uszkodzeniom i wymaga obsługiwa� technicznych; - mo�e by� celowo wykorzystana przez człowieka; - przechodzi w swoim istnieniu cztery kolejne fazy: warto�ciowania, konstruowania, wytwa- rzania i eksploatacji; - mo�e by� modernizowana; - mo�e szkodzi� człowiekowi i �rodowisku. Ka�de urz�dzenie, a tak�e grupa urz�dze�, mo�na tak�e rozpatrywa� jako system. W systemie uwzgl�dnia si� istnienie składaj�cych si� na� elementów i zachodz�cych mi�dzy nimi powi�za�. Uwzgl�dnianie wpływu tych powi�za� na własno�ci obiektu i jego stan ma cz�sto bardzo istotne znaczenie i nazywane jest "podej�ciem systemowym". System mo�e obejmowa� szereg urz�dze� współpracuj�cych ze sob� lub te� zespół czynno�ci dotycz�cych jakiego� urz�dzenia, np. system przegl�dów bie��cych, okresowych, napraw głównych. Systemowy opis umo�liwia te� uwzgl�dnienie człowieka i jego roli w działaniu urz�dze� technicznych, co w praktyce prowadzi do systemów antropotechnicznych. Na podstawie aktualnego stanu wiedzy i stosowanych w praktyce metod oceny, włas-no�ci ogólne ujawniaj�ce istnienie i sposób funkcjonowania maszyn mo�na sklasyfikowa� ich

podobie�stwo w uporz�dkowane zbiory za pomoc� nast�puj�cych cech: jako�ci, funkcjonal-no�ci, efektywno�ci i niezawodno�ci. Warto�ci tych cech (charakterystyk) mog� by� przed-stawione jako jednokolumnowe wektory, których współrz�dnymi s� na ogół miary lub ci�gi miar, okre�laj�cych własno�ci maszyny. Jako�� rozumiana jako ogół cech i wła�ciwo�ci maszyny decyduj�cych o jej zdolno�ci do zaspokojenia stwierdzonych lub przewidywanych potrzeb, okre�la maszyn� pod wzgl�dem eksploatacyjnym (mechanicznym): K = [k1, k2, ... , kn] T . Poszczególne współrz�dne mog� reprezentowa� nast�puj�ce własno�ci ogólne maszyny: * k1 - parametry techniczno-eksploatacyjne ( moc, wydajno��, zu�ycie paliwa itp.); * k2 - czas �ycia, poprawno�� i precyzja działania w systemie innych maszyn (mierzona warto�ci� bł�du pomi�dzy efektem zamierzonym i osi�gni�tym); * k3 - trafno�� w stosunku do przyj�tego modelu teoretycznego (mierzona warto�ci� bł�du po- mi�dzy parametrami zało�onymi i rzeczywistymi); * k4 - stopie� szkodliwego oddziaływania na �rodowisko i człowieka; * k5 - stopie� zakłócenia procesu funkcjonowania przez procesy towarzysz�ce; * k6 - nowoczesno�� rozwi�zania konstrukcyjnego (mierzona ró�nymi wskanikami). Funkcjonalno�� jest to charakterystyka maszyny opisuj�ca j� pod wzgl�dem prakseo-logicznym, traktowana jako zespół własno�ci opisuj�cych maszyn� w sferze kontaktów z u�ytkownikiem: P = [p1, p2, ... , pm] T . Poszczególnymi współrz�dnymi mog� by�: * p1 - własno�ci ergonomiczne (np. hałas, drgania); * p2 - łatwo�� sterowania; * p3 - estetyka maszyny; * p4 - naprawialno�� maszyny; * p5 - łatwo�� transportu; * p6 - podatno�� obsługowa maszyny. Efektywno�� jest to charakterystyka maszyny opisuj�ca j� pod wzgl�dem ekonomicz-nym: C = [c1, c2, ... , ck] T . Poszczególne współrz�dne mog� reprezentowa� nast�puj�ce ogólne własno�ci maszyny: * c1 - koszt wyprodukowania jednostki wytworu przez maszyn�; * c2 - koszt obsługiwania maszyny; * c3 - pobór energii (surowca, mps) dla wyprodukowania jednostki produktu; * c4 - sprawno�� maszyny; * c5 - podatno�� eksploatacyjna maszyny; * c6 - szybko�� działania maszyny. Niezawodno�� jest to zespół wła�ciwo�ci opisuj�cych gotowo�� obiektu i wpływaj�ce na ni�: nieuszkadzalno��, obsługiwalno�� i zapewnienie �rodków obsługi. Charakterystyka ta opisuje zgodno�� funkcjonowania maszyny z wymaganiami dotycz�cymi trwało�ci i bez-awaryjno�ci: R = [r1, r2, ... , rs] T . Poszczególne współrz�dne mog� reprezentowa� nast�puj�ce własno�ci ogólne maszyny: * r1 - prawdopodobie�stwo poprawnej pracy w okre�lonym czasie; * r2 - zu�ywanie si� elementów w jednostce czasu; * r3 - zm�czenie elementów i poł�cze� w jednostce czasu; * r4 - zło�ono�� konstrukcyjna maszyny; * r5 - sposób i liczba elementów rezerwowania; * r6 - uszkadzalno�� maszyny w czasie. Dla poprawnego scharakteryzowania własno�ci i zjawisk zachodz�cych w maszynach (urz�dzeniach) podczas ich funkcjonowania, a szczególnie zjawisk prowadz�cych do powsta-

wania uszkodze� potrzebne s� wiarygodne dane o funkcjach roboczych poszczególnych ele-mentów i warunkach ich pracy, co wi��e si� z potrzeb� klasyfikacji urz�dze�. Urz�dzenia mo�na podzieli� pod ró�nymi wzgl�dami na klasy, rodzaje i typy, przy czym w aspekcie bada� wygodnie jest stosowa� podział przedstawiony w tablicy 1. W urz�dzeniach technicznych mo�na wyró�ni� : * elementy aktywne, które bezpo�rednio uczestnicz� w przemianie energii, przekazy-waniu mocy, przetwarzaniu rodzajów ruchów roboczych na inne ich rodzaje, przenoszeniu obci��e�, itp.; * elementy bazowe, które ustalaj� prawidłowe rozmieszczenie elementów aktywnych oraz elementów wspomagaj�cych, np. korpusy, prowadnice, ramy; * elementy wspomagaj�ce, które zabezpieczaj� urz�dzenia od przeci��e� lub prze- kroczenia stanów granicznych. TABLICA 1 Klasyfikacja urz�dze�. Kryterium klasyfikacji

Klasa urz�dze�

1. Wymóg planowania eksploatacji urz�dzenia podstawowe urz�dzenia pomocnicze

2. Wzgl�d cybernetyczny

urz�dzenia energetyczne (przetwarzaj�ce energi�) urz�dzenia informatyczne (przetwarzaj�ce informacje)

3. Wzgl�d prakseologiczny

urz�dzenia I rodzaju (podstawowe ze wzgl�du na cel) urz�dzenia II rodzaju (zabezpieczaj�ce)

4. Krotno�� u�ytku urz�dzenia jednokrotnego u ycia urz�dzenia wielokrotnego u ycia

5. Zdolno�� do poruszania si� urz�dzenia przewo�ne (samoprzewo�ne) urz�dzenia stacjonarne

6. Podatno�� na napraw� urz�dzenia naprawialne urz�dzenia nienaprawialne

7. Liczba realizowanych funkcji urz�dzenia jednofunkcyjne urz�dzenia wielofunkcyjne (kombajny)

Przydatno�� ka�dego obiektu okre�la zbiór jego cech i charakterystyk zwi�zanych z jego przeznaczeniem oraz wymagania eksploatacyjne. Wymagania w stosunku do poszcze-gólnych cech i charakterystyk obiektu zmieniaj� si� w czasie, zale�nie od post�pu technicz-nego i zapotrzebowania społecznego. Sprecyzowanie funkcji u�ytkowych oraz przeprowadzenie klasyfikacji cech (własno�-ci) obiektu jest mo�liwe metodami badawczymi. Najcz��ciej stosowany jest nast�puj�cy podział cech (rys.2.1) : * cechy krytyczne, decyduj�ce o stopniu zagro�enia dla �ycia lub zdrowia ludzkiego, zagro�eniu �rodowiska, zagro�eniu układów współpracuj�cych oraz całkowitej utracie war- to�ci u�ytkowej obiektu (wyrobu), podlegaj�ce monitorowaniu; * cechy wa�ne, posiadaj�ce istotne znaczenie dla oceny stanu (przydatno�ci) obiektu, okre�laj�ce zagro�enia dla konstrukcji, zmieniaj�ce si� odwracalnie w czasie eksploatacji; * cechy małowa�ne, powoduj�ce nieistotne i odwracalne zmniejszanie efektywno�ci funkcjonowania obiektu. Przedstawione cechy ze wzgl�du na metod� oceny mo�na podzieli� na:

* cechy mierzalne, daj�ce si� zmierzy� i okre�li� ich warto�� nominaln� i graniczn�; * cechy niemierzalne, których ocen� dokonuje si� jedynie organoleptycznie. Ocena cech krytycznych jest prowadzona najcz��ciej w formie monitorowania w od-niesieniu do ka�dej z nich osobno i stanowi podstaw� do wył�czenia obiektu z eksploatacji, przy nie spełnieniu wymaga� którejkolwiek z cech. Warto�ci nominalne oraz graniczne dla tych cech s� okre�lane przez odpowiednie normy, lub s� okre�lane przez u�ytkownika.

cechy

mierzalne niemierzalne

krytyczne wa ne małowa ne pomijalne

Rys.2.1 Podział cech opisuj�cych obiekt. Cechy wa�ne s� podstaw� oceny aktualnego stanu badanego obiektu i wytyczaj� za-

kres i potrzeby czynno�ci obsługowych i naprawczych.

2.3 Zu�yciowe procesy dynamiczne. Przebieg procesów zu�yciowych zachodz�cych w maszynie jest uzale�niony od: - losowo zmiennych własno�ci pocz�tkowych maszyny; - losowo zmiennych w czasie warto�ci czynników wymuszaj�cych (roboczych i zewn�trz- nych) działaj�cych na maszyn�. Szczególnie istotne znaczenie dla maszyn ma rozpatrywany ł�cznie zbiór czynników zewn�trznych i wewn�trznych, zwi�zanych z funkcjonowaniem maszyny. Praca maszyny zwi�zana jest z przetwarzaniem energii w prac� mechaniczn� i zwi�-zana jest z siłami, którymi oddziaływuj� na siebie jej elementy. W trakcie działania maszyny w parach kinematycznych wyst�puj� reakcje od przyło�onych sił, wynikaj�ce z nało�onych geometrycznych i kinematycznych wi�zów. W elementach ogniw i par kinematycznych pows-taj� zmienne napr��enia mechaniczne. Siły w ogniwach par kinematycznych przekazywane s�: - bezpo�rednio, przez styk powierzchniowy (pary ni�sze), liniowy lub punktowy (pary wy�sze); - po�rednio, za pomoc� lotnych i ciekłych składników (systemy pneumatyczne, hydrauliczne lub warstwa smaru); - bezstykowo, siły magnetyczne. Mamy tu wi�c do czynienia z okresem lub cyklem oddziaływania czynników, stano-wi�cym ci�g zmian poziomów, rodzajów i ilo�ci czynników w rozpatrywanym odcinku czasu. Funkcjonowanie maszyny jest charakteryzowane nast�puj�cymi cyklami: - cykl kinematyczny, w trakcie którego wiod�ce ogniwo ła�cucha kinematycznego powraca do poło�enia wyj�ciowego; - cykl technologiczny, w trakcie którego robocze ogniwo (organ roboczy) kolejno poł�czy si� i rozł�czy z obiektem oddziaływania (obrabianym tworzywem, ładunkiem); - cykl roboczy, w trakcie którego uwzgl�dnia si� ponadto okres przestoju maszyny, zwi�zany z odł�czeniem jej od obiektu oddziaływania (zaczepienie i odczepienie narz�dzi, zdj�cie i zało�enie obrabianego przedmiotu).

W poszczególnych przedziałach czasowych cyklu mamy do czynienia z ró�nymi, uwarunkowanymi funkcjonowaniem maszyny, czynnikami wymuszaj�cymi lub z tymi samy- mi czynnikami o ró�nym stopniu oddziaływania. Specyfikacj� czynników wpływaj�cych na zmian� zachowania si� systemu mechani-cznego (maszyny) nazywa si� charakterystyk� eksploatacyjn�, przy czym szczególne znacze- nie posiadaj� czynniki ogólnie okre�lane jako obci��enia (siły nap�dzaj�ce, reakcje). Umowne klasy obci��e� przedstawiono na rys.2.2, przy czym kompleks czynników wymuszaj�cych uwarunkowanych funkcjonowaniem systemu mechanicznego jest kombinacj� czynników wewn�trznych i zewn�trznych, utrudniaj�cych uproszczone podziały i komplikuj�c modelowanie logiczno-matematyczne. Ze wzgl�du na to, �e czynniki wymuszaj�ce działaj�ce na obiekt maj� charakter losowy i własno�ci pocz�tkowe obiektu s� zmiennymi losowymi, analiza fizyki uszkodze� i wyznaczenie prawdopodobie�stwa wyst�pienia uszkodzenia nale�� do trudnych zagadnie�. obci��enia systemów mechanicznych długotrwałe ci�głe stałe statyczne skupione krótkotrwałe okresowe ustabilizowane dynamiczne rozło one chwilowe cykliczne monotoniczne skokowe Rys.2.2 Podział obci��e� systemów mechanicznych. 2.4 Model destrukcji maszyn. W my�l ogólnej teorii systemów maszyn� mo�na traktowa� jako otwarty system działaniowy z przepływem masy, energii i informacji, celowo skonstruowany dla wykonania okre�lonej misji. S� to wi�c układy transformuj�ce energi�, z nieodł�czn� jej dyssypacj� wewn�trzn� i zewn�trzn�. Tak wi�c wej�ciowy strumie� masy (materiału), energii i informacji jest przetwarzany na dwa strumienie wyj�ciowe, energi� u�yteczn� w postaci innej po��danej jej formy lub te� produktu b�d�cego celem projektowym danego obiektu. Drugi strumie� to energia dyssypowana, cz��ciowo eksportowana do �rodowiska, a cz��ciowo akumulowana w obiekcie jako efekt ró�nych procesów zu�yciowych zachodz�cych podczas pracy maszyn i urz�dze�. Zaawansowanie tych procesów zu�yciowych determinuje jako�� funkcjonowania ka�dego obiektu i okre�la jego stan techniczny. Maszyny, urz�dzenia, konstrukcje mechaniczne s� to zatem: otwarte układy mecha-niczne transformuj�ce energi� przy ograniczeniach jej wewn�trznej dyssypacji, co pokazano modelowo na rys.2.3.

UKŁAD MECHANICZNY

N wy moc N we u�yteczna

ND moc procesów resztkowych

ED (θθθθ) EDB ηηηη=

NN i

0

sprawno�� przetwarzania energii

Rys.2.3 Model przepływu i transformacji energii i mocy w maszynie. Wewn�trzna dyssypacja energii ND wynika z tytułu (Ni): zm�czenia powierzchniowego i obj�to�ciowego, tarcia ł�cznie z frettingiem, erozji w strumieniu cz�stek, korozji wszelkiego rodzaju oraz płyni�cia w wysokich temperaturach i pełzania przy du�ych obci��eniach. Te wszystkie procesy składaj� si� na sumaryczn� energi� dyssypowan� ED. Wielko�� tej energii lub lepiej intensywno�� dyssypacji czyli moc ND zale�y od czasu działania obiektu θ oraz od mocy dyssypacji zewn�trznej V(θ). Słuszne s� zatem podane ni�ej zale�no�ci: N ND i= −( )1 η - moc dyssypowana (2.1) oraz zawansowanie zu�ycia proporcjonalne do energii dyssypacji wewn�trznej układu, której warto�� maksymalna jest ograniczona zale�no�ci�:

Z E V ED Db( ) ( , ( ,......))Θ Θ Θ≈ ≤ (2.2) gdzie: Edb-graniczna warto�� dyssypowanej energii tu� przed zniszczeniem maszyny.

W takim razie przy ci�głym u�ytkowaniu:

Z(θ) ED(θ...)

α tgα = ND(...)

θb czas �ycia obiektu

Rys.2.4 Przebieg zu�ycia i zmiany energii w czasie �ycia obiektu. zmiany zu�ycia Z(θ) ≈ ND (...) θ ≤ EDb , proporcjonalne do zmian energii, dla 0 ≤ ≤Θ Θb daj� liniowy model destrukcji, co pokazano na rys.2.4.

Analizuj�c proces powstawania i �ycia obiektu mo�na w prosty sposób okre�li� od czego zale�y energia (moc) dyssypacji ED :

E V K W R ND ( , ( ), , , , )Θ Θ - dla obiektów naprawialnych (2.3)

gdzie: Θ - czas �ycia obiektu, V(Θ) - moc procesów resztkowych (temperatura, drgania - zwi�kszaj�ce intensywno�� (moc) dyssypacji (zu�ywania); K - jako�� (poziom) konstruo- wania, W - jako�� (poziom) wytwarzania, R - intensywno�� obci��e� ruchowych, N - jako�� napraw i obsługiwa� technicznych.

Przyjmuj�c dalej zało�enie o istniej�cej relacji przyczynowo-skutkowej pomi�dzy procesami zu�yciowymi a generowanymi symptomami stanu, okre�lanymi z procesów resztkowych np. drganiowych, mo�na zapisa� zale�no��: V Z ED( ) ( ) ( )Θ Θ≈ = � (2.4) czyli: V V K W R N E V K W R N V N ED D Db( ) ( , , , ) ( , ( ), , , , ) ( ) ( )Θ Θ Θ Θ≈ + ≈ + ≤0 0β β� � (2.5) gdzie: β - stratno�� tribowibroakustyczna, szacowana wst�pnie jako: β η= <<Φ( ) 1; (dla maszyn przyjmowana β ≈ 10-6 .). W takim razie przyjmuj�c ró�niczkowy model destrukcji otrzymuje si�: dV dE V K W R ND( ) [ , ( ), , , , ]Θ Θ Θ= β (2.6) gdzie: β - jest współczynnikiem sprz��enia dyssypacyjnego. Procesy zu�yciowe i dyssypacja energii w maszynie z tytułu ich istnienia s� okre�lane zale�no�ciami [1,2]: 1. ZM�CZENIE: - obj�to�ciowe (szczeliny):

Ek

nDa

b

1

1

3= ���

��� ⋅σ

(2.7)

n f dt f= ≅ ⋅� ( )Θ Θ

gdzie: σa - amplituda napr��e�, n - ilo�� cykli, f - cz�stotliwo��, θ - czas. - powierzchniowe (pitting - pary kinematyczne): E C P nD2 1

3= ⋅ ⋅ (2.8) gdzie: P - nacisk jednostkowy; - fretting (+ korozja), zł�cza nieruchome:

E C kp k p

fk A p nD z3 0

12= ⋅

−+ ⋅

�

�

� ⋅ (2.9)

gdzie: A - amplituda drga�. 2. CIERANIE (pary kinematyczne): E C k R p UD e4 3 3

1= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅− Θ (2.10) gdzie: U - pr�dko�� wzgl�dna, Re - granica plastyczno�ci. 3.EROZJA (elektromechaniczna/mechano/chemiczna/kawitacyjna/ziemna): E C B UD

b5 5= ⋅ ⋅ ⋅Θ Θ( ) (2.11)

gdzie: U - pr�dko�� strugi, b(θ) - wykładnik kawitacji. 4.PEŁZANIE:

E CE

e T fDd

6 6= ⋅ + ⋅�

�

� σ σ( , ) Θ (2.12)

gdzie: T - temperatura, E - moduł Younga, σ - napr��enie.

Wielko�ci steruj�ce zu�yciem: σ, p, U maj� cz��� dynamiczn�, proporcjonaln� do ≈ V ( )Θ , traktowan� jako moc procesów resztkowych, co okre�la zale�no��:

E E V k R U p T

E V K W R N

N V K W R N d

D D j e m m m

D

D

==

=

�

�

2

0 0 00

( , , , , , , , )

( , ( ), , , , )

( , ( ), , , , )

ΘΘ Θ

Θ Θ ΘΘ

σ �

(2.13)

oraz: V Vb

( ) ( )Θ ΘΘ= − −

011 , traktowane jako moc procesów

resztkowych. Tak wi�c: N VD ( ) ( )Θ Θ≈ (2.14) Zwykle w diagnostyce i innych badaniach maszyn mierzymy symptomy stanu S:

S X V= ⋅ ≅φ γ1

, γ > 0 (2.15) je�li np. γ = z to mierzymy pr�dko�� drga� maszyny , jako symptom jej stanu technicznego. Tak wi�c wi�c model ewolucji symptomu destrukcji maszyny mo�na okre�li� jako:

S Sb

( ) ,Θ ΘΘ= −�

�� �

��

−

0

1

1γ

S V0 0

1= γ (2.16)

0 ≤ ≤Θ Θb , γ > 0 za� w ogólno�ci :

SS K W R N

K W R Nb

( )( , , , )

( , , , )

ΘΘ

Θ

=−�

�� �

��

01

1γ

(2.17)

gdzie: K - poziom konstrukcji, W - technologia wytwarzania, R - ruch, obci��enia, N - naprawy. Wnioski z obserwacji obiektów rzeczywistych, które prowadz� do opisu modelu des-trukcji obiektu w postaci równania ró�niczkowego s� nast�puj�ce: - procesy resztkowe steruj� intensywno�ci� zu�ywania : E VD ( , ( ), )Θ Θ � ; - wzrost mocy procesów resztkowych zachodzi jako efekt przyrostu energii traconej : dV dE VD( ) ( , ( ),...)Θ Θ Θ= β ; - całkowita energia destrukcji (dyssypacji) dla ka�dego obiektu jest ograniczona : 0 ≤ ≤E ED Db( )Θ ; Tak wi�c: [ ]dV dE VD( ) , ( )Θ Θ Θ= β (2.18)

[ ]E V N V d ED D Db( , ( )) , ( )Θ Θ Θ Θ ΘΘ

= ≤�0

0 (2.19)

Oznaczaj�c energi� dyssypacji przez moc, otrzymuje si�:

[ ]dE V N dN

Vd dVD b

pΘ Θ Θ ΘΘ

, ( ) ( )= • +�

��

�

���

∂∂ 0

0

(2.20)

a je�li:

∂

∂N

Vconstb ( )• = = mechanizm przetwarzania N VD �

co jest równowa�ne: [ ] [ ] [ ]N V N V N VD DΘ Θ Θ Θ Θ, ( ) ( ) , ( )= + ε (2.21)

znajdziemy:

[ ]dE V N dNV

dVD DDΘ Θ Θ Θ, ( ) ( )= • +

∂∂

(2.22)

co daje:

dV N dN

VdVD

D( ) ( )( )Θ Θ Θ= • + •�

�

� β ∂

∂ (2.23)

lub po przekształceniu:

∂∂Θ

β

β ∂∂

V NN

V

D

D

= •

− • ⋅

( )( )

1 Θ (2.24)

Uwa�na analiza tego wyra�enia wskazuje, �e je�eli: β ∂∂

NV

constD ( )• ≈ ,

to: ∂∂ΘV → ∞ , je�li Θ�

•���

���

−

β ∂∂

NVD ( ) 1

.

Tak wi�c przyrost mocy ∂∂ΘV�

��

��� staje si� niesko�czony, co jest równoznaczne AWARII .

Zatem wyra�enie: ΘbDNV

≡ •���

���

−

β ∂∂

( ) 1

- okre�la czas do awarii, (2.25)

gdy� istotnie : β = ≅dVdE

constD

dla danego typu maszyny,

oraz : ∂

∂N

VconstD ( )•

≅ tak�e dla danego typu maszyny.

Mo�na wi�c przyj��:

β∂

∂N

VdEdN

constD D

Db

( ) ( )( )

•���

��� =

••

≡ ≅−1

Θ = +Θ Θb f0 ε ( ) (2.26)

Ostatecznie wi�c równanie ró�niczkowe destrukcji (lub zu�ycia maszyny) mo�na opisa� zale�no�ci�:

dVd

N D

b

Θ ΘΘ

=•

−

β ( )

1 , (2.27)

z której mo�na wyznaczy� ewolucj� mocy procesów destrukcji w maszynie w postaci: N ND D b b( ) ( )Θ Θ Θ Θ= ⋅ − −

01 (2.28)

Nie wnikaj�c w dalsze szczegóły przedstawionego modelu destrukcji maszyny (zainte-resowanych odsyłaj�c do ostatnich prac C.Cempla) mo�na dotychczasowe rozwa�ania podsu-mowa� w postaci ogólnych stwierdze�, inspiruj�cych do dalszego doskonalenia modelu, szczególnie w zakresie mo�liwej optymalizacji działa� diagnostycznych. I tak: * rozpatruj�c proste relacje eksperymentalne diagnostyki oraz tribologii, w których słuszna jest relacja:V Z ED( ) ( ) ( )Θ Θ≈ = � udało si� opracowa� model destrukcji maszyn:

V Vb

( ) ( )Θ ΘΘ= − −

011 ;

* model ten ma istotne implikacje konstrukcyjne V0(K,W,R,N), eksploatacyjne Θb(K,W,R,N) i diagnostyczne : takie S =φ(V) by γ = min.; * energetyczna miara destrukcji D, zale�nie od typu procesu, jest ilorazem czasów lub cykli:

D I

b i

=�Θ

Θ ( )σ, D n

Ni

b i=� ( )σ ,

* otrzymany model destrukcji to uogólniony symptomowy model destrukcji z dziedziny czasu w zadan� miar� destrukcji:

S D S K W R N D( ) ( , , , )( )= −−

0

11 γ

* niezawodno�� symptomowa R(S) jest tak�e miar� destrukcji w kategoriach:

R S

D resztkowego potencjalu szkodzen

resztkowego czasu zycia

nN

pozostalej liczby cykli

b

b

( )

;

;

.

=

− ⋅ ⋅

− ⋅ ⋅

− ⋅ ⋅

�

�

���

�

���

∆∆ΘΘ∆

* istnieje mo�liwo�� uogólnienia modelu destrukcji maszyn na system produkcyjny i repro- dukcji technologii. Przedstawiony tu model destrukcji układu transformuj�cego energi� mo�na stosowa� do opisu zmian stanu technicznego zarówno całego obiektu jak i jego poszczególnych podzes-połów i cz��ci. Ujawnia si� przy tym fraktalna natura procesów przekształcania energii, dos-konal�ca mo�liwe sposoby przybli�ania opisu �wiata rzeczywistego.

2.5 Ewolucja stanu technicznego maszyn. Podobie�stwo zu�ywania si� ró�nego typu maszyn i ich elementów skłania do poszukiwania ogólnych modeli ewolucji �ycia, odwzorowywanych obserwowanymi symptomami stanu. Jest to mo�liwe dla modeli budowanych na podstawie rozwa�a� fizykalnych i energetycznych, dla których znane s� ju� zasady przepływu i transformacji energii. Zu�ycie maszyn i innych obiektów technicznych przebiega zatem jako�ciowo podobnie, niezale�nie od natury zu�ycia, co pozwala na stosowanie w badaniach modeli ewolucji symptomów zu�ycia [5]. Zu�ycie tych obiektów to jedynie ewolucja ich degradacji powodowana wewn�trzn� akumulacj� energii dyssypowanej podczas ich u�ytkowania. Tworzone modele takich obiektów oparte o przepływ i transformacj� energii dobrze ujmuj�

ewolucj� symptomów stanu (degradacji) szerokiej klasy obiektów. Intensywno�� degradacji obiektu zale�y od wielu czynników natury konstrukcyjnej i eksploatacyjnej, okre�lanych jako składowe wektora logistycznego. Maszyna widziana jako procesor energii ma jedno wej�cie zasileniowe i dwa wyj�cia: mocy przetworzonej (energii, produktu) oraz mocy (energii) dyssypowanej zewn�trznie. Cz��� energii dyssypowanej jest akumulowana wewn�trznie daj�c w efekcie degradacj� struktury wewn�trznej, a co za tym idzie degradacj� stanu obiektu. Miernikiem zaawansowania degradacji wewn�trznej jest ewolucja eksportowanej mocy dyssypacji (strat)-V, zale�nej równie� od składowych wektora logistycznego L. Mo�na wi�c moc dyssypacji procesów resztkowych maszyny zapisa� w postaci: V = V(θ, L), gdzie θ jest czasem �ycia (działania, eksploatacji) obiektu oraz θb czasem do awarii (prze�ycia systemu). Zatem:

V L V LLb

( , ) ( ) (( )

)θ θθ

= ⋅ − −0

11 (2.29)

Jak wiadomo z obserwacji ruchu maszyn wi�kszo�� procesów resztkowych V(θ, L) jest nie obserwowalna i praktycznie dost�pna jest tylko pewna grupa takich symptomów. Zatem obserwuj�c dost�pny pomiarowo symptom stanu obiektu S(θ, L) nale�y zdawa� sobie spraw� z procesu przekształcania i filtracji informacji na drodze proces degradacji-symptom stanu obiektu. T� operacj� przekształcania i filtracji informacji symbolicznie mo�na zapisa� w postaci:

SS

VV

L0 0

= =Φ Φ( ) ( , )θ (2.30)

Dla wi�kszo�ci modeli symptomowych istnieje prosty zwi�zek mi�dzy symptomow� krzyw� �ycia a resztkowym czasem �ycia ∆D(S) = 1 - D(S), zwanym te� potencjałem uszkodzenia. Dla grupy eksploatowanych obiektów niezawodno�� symptomowa jest równowa�na �redniemu resztkowemu czasowi �ycia obiektu:

R S D S( ) ( )=−−−−−−−∆ (2.31)

Okre�lanie niezawodno�ci maszyn wymaga przeprowadzenia statystycznych bada� zmian stanu obiektu za pomoc� zbioru czynników w stosunkowo długim okresie czasu. Czynniki te mog� ulega� zmianie, co wymusza adaptacyjne okre�lanie niezawodno�ci, ponadto mo�na tu tylko wyró�ni� dwa stany zdatno�ci, co jest pewnym utrudnieniem mo�liwym do obej�cia przy pomocy diagnostyki technicznej. Diagnostyczna obserwacja symptomu S dla N>>1 maszyn tego samego typu daje mo�liwo�� oceny procesu eksploatacji za pomoc�: - �redniej krzywej �ycia - S(θθθθ): S(θθθθ) = Eωωωω [S(θθθθ, ωωωω1, ωωωω2, ωωωω3 , ωωωω4)] (2.32) gdzie: θ - czas eksploatacji, ω1- rozrzut jako�ci wytwarzania, ω2 - rozrzut obci��enia robocze-go, ω3 - rozrzut jako�ci wykonanych napraw, ω4 - rozrzut posadowienia; - g�sto�ci rozkładu symptomu - p(S):

p(S) = p (θθθθ) dSd

( )( )

ΘΘ

−1

(2.33)

- niezawodno�ci symptomowej - R(S):

R(S) = p S dSS

( )0 0

∞

� . (2.34)

Wyznaczenie niezawodno�ci symptomowej jest wi�c mo�liwe w oparciu o g�sto�� rozkładu mierzonego symptomu (rys.2.5).Na rysunku pokazano przykładowe przebiegi symptomowej

krzywej �ycia maszyny oraz przebieg funkcji niezawodno�ci symptomowej wzgl�dem znormalizowanego symptomu. Wykazany zwi�zek niezawodno�ci symptomowej i niezawodno�ci czasowej wskazuje na �cisłe relacje mi�dzy niezawodno�ci� a diagnostyk� techniczn� w zakresie kształtowania efektywno�ci eksploatacji maszyn.

S warto�� symptomu AWARIA

Niezawodno�� symptomowa

krzywa �ycia S(θ) g�sto��

R(S) p(S) g�sto�� symptomu czas �ycia θ

g�sto�� obserwacji p(θ) = 1/λ - równomierna g�sto�� obserwacji p(θ)

Rys.2.5 Zało�enia definicji niezawodno�ci symptomowej. Z najnowszych bada� i symulacji zachowa� mo�liwych symptomów stanu wynika, �e najmniej wra�liwym modelem symptomów na zmian� składowych wektora logistycznego jest monotoniczny model symptomowy Weibulla, co pokrywa si� z wieloma praktycznymi jego zastosowaniami w badaniach niezawodno�ci. Zatem przebieg krzywej symptomowej w czasie �ycia obiektu i odpowiadaj�ca mu niezawodno�� symptomowa R(S) ma posta� opisan� zale�no�ciami:

S Sb

( ) ln( )Θ ΘΘ

= − −���

���

0

1

1γ

; R SS

S( ) exp (

( ))= − Θ

0

γ (2.35)

gdzie: S0 - jest pocz�tkow� warto�ci� symptomu, a γ- współczynnikiem kształtu. Jak wida� z powy�szego istotn� zalet� takiego post�powania jest stowarzyszenie z typem symptomu modelu niezawodno�ci symptomowej, okre�laj�cej prawdopodobie�stwo wykonania zadania (niezawodno�� funkcjonalna), je�li obiekt wykazuje si� warto�ci� symptomu S i został zakwalifikowany na tej podstawie do stanu zdatno�ci. Kolejnym atutem tego podej�cia jest potrzeba znajomo�ci tylko jednego współczynnika kształtu γ dla danego modelu, gdy� drugi czynnik S0 jest znany jako najmniejsza warto�� zaobserwowana w eksperymencie diagnostycznym. Współczynnik kształtu γ �wiadczy równie� o poprawno�ci eksploatacji obiektu, bowiem im mniejsze γ tym lepsza polityka i praktyka eksploatacji. Jego wyznaczenie opiera si� na danych z obserwacji diagnostycznej, przy pomocy regresji liniowej za pomoc� nast�puj�cej formuły:

{ }ln ln ( ) ln , , ,... ,R S aSS

i mi− = + ⋅ ⋅ ⋅⋅ =1

0

1γ (2.36)

gdzie: Si - obserwowane symptomy w czasie �ycia, a - bł�d aproksymacji (w modelu deterministycznym a=0). Empiryczn� niezawodno�� symptomow�, jako przybli�enie R(S), mo�na wyznaczy� z danych nadzoru stosuj�c zale�no��:

R Sn S S

Ni( )

( )=

≥ (2.37)

gdzie: n(Si ≥ S) - jest liczb� odczytów symptomu przekraczaj�c� próg S, za� N całkowit� liczb� odczytów symptomu w eksperymencie diagnostycznym. Wyznaczaj�c współczynnik kształtu modelu γ za pomoc� regresji liniowej uzyskuje si� model ewolucji symptomu okre�laj�cy ewolucj� stanu maszyny. W najprostszym przypadku stan obiektu jest klasyfikowany dwustanowo: Zdatny/Niezdatny w zale�no�ci od zmierzonej warto�ci symptomu. Istnieje wiele metod wyznaczania granic klas stanów, lecz najbardziej przekonywuj�c� jest metoda minimalnego ryzyka Neymana-Pearsona. Polega ona na takim wyznaczeniu warto�ci granicznej symptomu Sl, by przy zało�onym z góry prawdopodobie�stwie bł�dnych decyzji A << 1, zminimalizowa� ryzyko awarii maszyny. Przy znanej gotowo�ci grupy maszyn G ≤ 1 odno�ny wzór ma posta�:

G R S A czyli R SAGl l⋅ = =( ) ,... .. ( ) (2.38)

Po podstawieniu modelu (2.35) do powy�szego otrzymuje si� zale�no�� na wyznaczenie warto�ci granicznej symptomu dla modelu zmiany stanu Weibulla w postaci:

S SGA

S SG

G Al l= =−

−

0

1

0

1

(ln ) ,..., (ln )γ γ (2.39)

Z uwagi na monotoniczno�� tego modelu wnioskowanie o stanie obiektu na podstawie zmierzonej n-tej warto�ci symptomu przebiega według zasady: Je�li: Sn < Sl = ZDATNY lub Je�li: Sn ≥ Sl = NIEZDATNY, (2.40) Korzy�ci� z zastosowanego modelu niezawodno�ci symptomowej jest mo�liwo�� wnioskowania w dziedzinie symptomu i czasu �ycia. Jest tak dlatego, i� dla zastosowanego modelu mo�na pokaza�:

R S D Db

( ) ,____

= − = − =−−

1 1ΘΘ

∆ a st�d równie� R S D Dll

bl l( )

____

= − = − =−−

1 1ΘΘ

∆ (2.41)

Wida� wi�c, �e �redni resztkowy bezwymiarowy czas �ycia ∆D−−−

mo�na otrzyma� maj�c jedynie odczytan� warto�� symptomu Sn. Wynikaj�cy z Sn �redni resztkowy czas �ycia

obiektu mo�na porówna� do warto�ci granicznej ∆Dl

___

otrzymuj�c prawie niezale�ny sposób wnioskowania o stanie maszyny. W diagnostyce maszyn istotny jest nie tylko aktualny stan maszyny, ale tak�e jego ewolucja, z horyzontem prognozy p=1,2,3 obserwacje do przodu. Znaj�c z równania (2.41) resztkowy czas �ycia maszyny, mo�na wyznaczy� całkowit� ilo�� odczytów od startu obiektu do jego przewidywanej awarii Nb oraz resztkow� ilo�� obserwacji do tej awarii ∆Nb z zale�no�ci:

Nn

DN

n D

Db

n

bn

n

=−

=⋅

−1 1∆∆

∆

∆____

___

___,......., (2.42)

Na tej podstawie mo�na dla modelu Weibulla wyznaczy� przybli�enie prognozy z horyzontem p z nast�puj�cej zale�no�ci:

S SpNn N

p n Nn p nb

bb+ ≅ +

⋅ ⋅= �� ≤( ),..., , ,1

11 2 3

γ γ ∆ (2.43)

Po obliczeniu takiej prognozy nale�y porówna� j� z warto�ci� graniczn� jak w (2.40) okre�laj�c przyszły stan obiektu i podj�� wynikaj�ce st�d działania eksploatacyjne.

Ewolucja stanu technicznego maszyn jest mo�liwa do �ledzenia i prognozowania za pomoc� symptomowych modeli diagnostyczno-niezawodno�ciowych, a w poł�czeniu ze statystycznym przetwarzaniem wyników bada� pozwala na ocen� obecnego i przyszłego stanu obiektu.

2.6 Kształtowanie jako�ci maszyn We współczesnym �wiecie rywalizacja gospodarcza przebiega praktycznie na płasz-czy�nie szeroko rozumianej "jako�ci", z tytułu której mo�na uzyska� okre�lone korzy�ci eko-nomiczne. Korzy�ci te s� uprzedzaj�co zabudowywane w kolejnych fazach istnienia obiektów i dotycz� wła�ciwie wszystkich aspektów ich istnienia: funkcjonalnego, materiałowego, energetycznego, wydajno�ciowego, ekologicznego itp. Uznaj�c za słuszny podział okresu istnienia obiektu na IV etapy: warto�ciowania (C), projektowania (P), wytwarzania (W) i eksploatacji (E) mo�na wyró�ni� szereg kryteriów jako�ci, które s� badane na ka�dym z tych etapów. Metody i �rodki daj�ce tak� mo�liwo�� kontroli "jako�ci" maszyn - spełniania stawianych kryteriów - s� zakresem zainteresowa� m.in. niezawodno�ci, diagnostyki technicznej ii.[rys.2.6]. Jako�� maszyn jest wi�c miernikiem ich społecznej warto�ci u�ytkowej i jednym z czynników zwi�kszania społecznej efektywno�ci pracy i efektywno�ci gospodarowania. Jako�� jest tworzona i kształtowana przez wszystkie fazy istnienia maszyn, lecz potwierdzenie swe znajduje w u�ytkowaniu. Ogólne zaanga�owanie na rzecz jako�ci oraz przekonanie o opłacalno�ci inwestowania w tym wzgl�dzie oparte jest na mi�dzynarodowych normach ISO, seria 9000, które znajduj� coraz wi�ksze uznanie i akceptacj� zakładów przemysłowych. Normy te wskazuj� w jaki spo-sób producent mo�e zaprojektowa�, zrealizowa� i przedstawi� system zapewnienia jako�ci.

KSZTAŁTOWANIE JAKOCI MASZYN

FAZY ISTNIENIA MASZYNY

WARTO�CIOWANIE KONSTRUOWANIE WYTWARZANIE EKSPLOATACJA

Wybór metod Identyfikacja �ródeł Ocena Ocena stanu i �rodków podwy�szonej jako�ci technicznego badawczych dynamiczno�ci wytworów maszyny-procesu

Rys.2.6 Kształtowanie „jako�ci” w kolejnych fazach istnienia maszyny. Mo�e to nast�pi� tylko w przypadku gdy producent jest zainteresowany opracowaniem i uja-wnieniem swoich mo�liwo�ci jako�ciowych oraz �rodków jakie stosuje dla zapewnienia jako�ci wytworów (wyrobów lub usług). Projektowanie i wdra�anie nowoczesnych systemów jako�ci w gospodarce rynkowej, a zwłaszcza w zarz�dzaniu i zapewnieniu jako�ci w procesach przygotowania produkcji, tech-nologii wytwarzania i eksploatacji obiektów opiera si� o normy, głównie z serii EN 28 402, EN 45 000, EN 29 000, IEC 50/191, dyrektywy techniczne i przewodniki [6]. Zgodnie z nimi, dla jednoznacznego rozumienia, jako�� jest definiowana nast�puj�c: „ jako�� - to ogół cech i wła�ciwo�ci wytworu (wyrobu lub usługi) decyduj�cych o jego zdolno�ci do zaspokojenia stwierdzonych lub przewidywanych potrzeb”.

Pod poj�ciem wytworu (wyrobu lub usługi) rozumie si�: - wynik działa� lub procesów (wyrób materiałowy; wyrób nie materiałowy taki jak usługa, projekt, program komputerowy, instrukcja u�ytkowania); - działanie lub proces (�wiadczenie usługi, realizowanie procesu produkcyjnego). Potrzeby s� wyra�ane zwykle przez podanie wymaga� dotycz�cych okre�lonych cech i wła�ciwo�ci. Mog� one dotyczy� zdatno�ci do u�ytku, bezpiecze�stwa, gotowo�ci, niezawod-no�ci, obsługiwalno�ci oraz aspektów ekonomicznych i �rodowiskowych. Osi�gni�cie zadawalaj�cej jako�ci w uj�ciu efektywno�ci ekonomicznej jest zwi�zane ze wszystkimi etapami przemysłowego procesu realizacji, obejmuj�cymi projektowanie, wy-twarzanie i eksploatacj�, co w rozwini�ciu pokazano na rys.2.7. Wymagania od strony "jako�ci", marketingu i logistyki zmieniaj� radykalnie kryteria oceny maszyn, daj�c przesłanki do dalszego, rosn�cego zainteresowania metodami i �rodkami diagnostyki technicznej, traktowanych jako narz�dzie „jako�ci” maszyn. Efektywne oddziały-wanie na jako�� wytworów zapewnia zintegrowany proces badania jako�ci, w którym badania jako�ci prowadzone s� w całym zakresie czasowym i przestrzennym powstawania obiektów oraz obejmuje wszystkie poziomy zło�ono�ci tych obiektów-od elementu rozpoczy-naj�c a na systemie eksploatacji ko�cz�c. Zakres czasowy bada� wyznacza cykl istnienia obiektu (od formułowania wymaga� a� do likwidacji obiektu), natomiast zasi�g przestrzenny - struktura i powi�zania organizacyjne przedsi�biorstwa. Ka�da maszyna traktowana jako celowy system antropotechniczny słu�y do zaspoko-jenia potrzeb u�ytkownika. Stopie� spełniania tych funkcji jest kształtowany zbiorem cech systemowych, przedstawionych na rys.2.8.Efektywno��, jak i jej cechy składowe, jest funkcj� cech pierwotnych (geometryczno-strukturalno-energetycznych) i cech wtórnych (fizyko-che-micznych) odzwierciedlanych w funkcji jako�ci maszyny, według relacji: C

Ef J h C C C C C C C CF N G B S I T R= =( ) ( , , , , , , , ) (2.44)

BADANIA. PROJEKTOWNIE. KONSTRUOWANIE.

Identyfikacja potrzeb i wymaga�. Studia. Koncepcja wyrobu.

Projekty: koncepcyjny, wst�pny, JAKO� techniczny. Prototyp wytworu. PROJEKTOWA

Weryfikacja eksperymentalna. Poprawianie modelu.

Przygotowanie technolo- WYTWARZANIE giczne produkcji.

Uruchomienie produkcji. JAKO� Seria informacyjna. WYKONANIA

Produkcja. Kontrola jako�ci.

EKSPLOATACJA Obrót towarowy.

JAKO� U�ytkowanie. EKSPLOATACJI

Obsługiwanie techniczne.

JAKO� OGÓLNA (eksploatacyjna) WYTWORU

Rys.2.7 Kształtowanie jako�ci maszyn w całym cyklu istnienia obiektu. Efektywno�� maszyny - jest to cecha systemowa, wyra�aj�ca całokształt mo�liwo�ci maszyny do osi�gania zało�onych celów (zaspakajania potrzeb, działania zgodnie z przezna-czeniem). Oceniana jest ona za pomoc� wskaników jako�ci, szacuj�cych stopie� osi�gania celów (skuteczno��) oraz ocen� efektywno�ci ekonomicznej (relacja mi�dzy korzy�ciami a nakładami). Funkcjonalno�� maszyny - jest to cecha systemowa, wyró�niaj�ca zdolno�� maszyny do wykonywania przypisanych jej (konstrukcyjnie i technologicznie) funkcji. Niezawodno�� maszyny - jest to cecha systemowa, wyra�aj�ca zdolno�� maszyny do realizacji zada� w okre�lonym czasie i okre�lonych warunkach. Gotowo�� maszyny - jest to cecha systemowa, wyra�aj�ca zdolno�� do podejmowania zada� zgodnie z okre�lonymi wymaganiami czasowymi, przestrzennymi itp. Dla maszyn mo�na wyró�ni� gotowo�� techniczn� i gotowo�� zadaniow� (zdolno�� wykonania zadania). Bezpiecze�stwo maszyny - jest to cecha systemowa, okre�laj�ca zdolno�� maszyny do bezpiecznego funkcjonowania i zabezpieczenia si� przed zagro�eniami. Okre�la odporno��

na bł�dy powoduj�ce zagro�enia dla: samej maszyny, urz�dze� współpracuj�cych, otaczaj�-cego �rodowiska i człowieka - operatora. Spójno�� maszyny (jako systemu antropotechnicznego) - jest to cecha systemowa, wyró�niaj�ca po��dany stopie� powi�za� (sprz��e�) mi�dzy elementami, mechanizmami, układami, operatorem, po��dany ze wzgl�du na realizacj� celów. Stabilno�� funkcjonowania maszyny - jest to cecha systemowa, okre�laj�ca zdolno�� maszyny do utrzymywania zadanych warunków pracy i odporno�� na zakłócenia. Informacyjno�� - jest to cecha systemowa, wyra�aj�ca zdolno�� maszyny do genero-wania jednoznacznych procesów fizycznych, wykorzystywanych do przetwarzania informacji, a tak�e okre�laj�ca podatno�� diagnostyczn� maszyny.

EFEKTYWNO� FUNKCJONOWANIA MASZYNY

JAKO� MASZYNY (cechy systemowe)

FUNKCJONALNO� (CF ) SPÓJNO� (CS)

NIEZAWODNO� (CN) INFORMACYJNO� (CI)

GOTOWO� (CG) STABILNO� (CT)

BEZPIECZESTWO (CB) INNE (CR)

Rys.2.8 Cechy systemowe kształtuj�ce jako�� maszyny. Kształtowanie i ocena jako�ci maszyn wi��e si� �ci�le z konieczno�ci� utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech u�ytkowych w okre�lonych warunkach eksploatacji. Cechy te, spełniaj�ce wymogi reprezentatywnych dla stanu obiektu, winny by� okre�lone ju� na etapie warto�ciowania i konstruowania, a weryfikowane podczas wytwarzania i eksploatacji. Do wyró�nienia, oceny i podtrzymywania cech u�ytkowych wykorzystuje si�: - mo�liwo�ci diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocen� jako�ci wytworów, diagnostyk� eksploatacyjn�, metody i �rodki diagnostyki technicznej, wspomaga- nie bada� diagnostycznych technik� komputerow�; - badania niezawodno�ci maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i poprodukcyj- nej przy wykorzystaniu programowanych bada� stanowiskowych, modelowania determinis- tycznego i stochastycznego czynników wymuszaj�cych, wspomagania komputerowego bada� niezawodno�ci; - metodologi� ksztatowania „jako�ci” maszyn przez „jako�ciowy system sterowania przedsi�-biorstwem” z uwzgl�dnieniem kryteriów norm jako�ci EN serii 29 000; - mo�liwo�ci regeneracji cz��ci maszyn, w tym regeneracj� wielokrotn�, badania zm�czenio- we i modelowanie obci��e� cz��ci regenerowanych, nowe techniki i technologie odtwarzania jako�ci cz��ci maszyn; - badania technologiczno�ci obsługowej i naprawczej maszyn, kształtowanie intensywno�ci starzenia i zu�ywania si� elementów maszyn, kształtowanie podatno�ci maszyn oraz ocen� efektywno�ci eksploatacji maszyn.

Powy�sze grupy tematyczne stanowi� obszar zainteresowa� w zakresie metod i meto-dologii kształtowania i podtrzymywania jako�ci maszyn, który jest uwarunkowany dynamicz-nym rozwojem nast�puj�cych zagadnie� : - modelowania obiektów,(strukturalnego, symptomowego), - metod diagnozowania, genezowania i prognozowania, - podatno�ci diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty), - budowy ekonomicznych i dokładnych �rodków badania, - precyzowania mo�liwo�ci eksperymentów w kolejnych fazach istnienia maszyny, - metod oceny efektywno�ci zastosowa� metod badawczych, - metodologii projektowania i wdra�ania układów pomiarowych, - metod sztucznej inteligencji w badaniach. Bior�c za podstaw� przedstawione mo�liwo�ci diagnostyki w zakresie nadzorowania zmienno�ci stanów maszyn (zmian jako�ci), zasadne s� propozycje metody obsługiwania maszyn według stanu technicznego. Doskonalenie tej przyszło�ciowej strategii opiera si� o nowe, skuteczne metody diagnozowania stanu maszyn, o opracowania pokładowych i stacjo-narnych układów diagnostycznych, wspieranych technik� komputerow� i dokonaniami sztucznej inteligencji.

...eksperyment powi�ksza nasz� m�dro��,

�miałe zamiary padaj� dzi�ki trwodze... ROZDZIAŁ III BADANIA MASZYN 3.1 Wst�p Współczesne maszyny i urz�dzenia to zło�one układy dynamiczne zarówno pod wzgl�-dem funkcjonalnym jak i konstrukcyjnym oraz przestrzennym. Proces ich wytwarzania i eksploatacji pochłania ogromne ilo�ci pracy, surowców i energii. Szybki wzrost wymaga� w stosunku do technicznych parametrów maszyn i urz�dze�, przy równoczesnym d��eniu do zmniejszenia kosztów wytwarzania i eksploatacji, spowodował zasadnicze przeobra�enia w metodach projektowania, kontroli produkcji i eksploatacji. Liczne przypadkowe uszkodzenia, niespodziewane awarie oraz zagadnienia zwi�zane z uszkodzeniami spowodowanymi proce-sami zu�yciowymi i starzeniowymi uzasadniaj� potrzeb� prowadzenia bada�, stanowi�cych podstawowe �ródło informacji o zmieniaj�cym si� stanie. 3.2 Obserwacja, do�wiadczenie, eksperyment W ostatnich latach nast�pił szczególny rozwój metodyki bada� do�wiadczalnych, zwa-nej teori� eksperymentu. Zło�ono�� obiektów zmusza do przeprowadzania do�wiadcze� obejmuj�cych coraz to wi�ksz� liczb� badanych wielko�ci. Wyst�puj� przy tym trzy istotne fakty, które spowodowały powstanie teorii eksperymentu: - po pierwsze: liczba kombinacji warto�ci czynników badanych przekracza praktycznie mo�liwo�ci realizacji do�wiadcze�; - po drugie: nie wszystkie czynniki mog� by� badane oddzielnie, gdy� wpływ jednego czyn-nika na wynik badania zale�y cz�sto od warto�ci innego czynnika dotychczas z ró�nych przy-czyn nie uwzgl�dnianego w realizowanym do�wiadczeniu; - po trzecie: istniej� czynniki, których warto�ci nie mo�na ustali� na stałym poziomie, a nawet s� czynniki w ogóle niemierzalne lub po prostu nieznane, które jednak wpływaj� na wynik do�wiadczenia. W ten sposób niemo�liwe stało si� zachowanie w do�wiadczalnictwie klasycznej koncepcji determinizmu, które nale�ało poszerzy� o metody statystyki matematycznej oraz wł�czy� w proces badania nowoczesnych technik informatycznych. Dało to pocz�tek teorii eksperymentu (TE) obejmuj�cej nast�puj�c� problematyk�: - modelowanie analityczne obiektów bada� (MA); - programowanie bada� do�wiadczalnych (PBD); - analiz� wyników badania (A). Jak wynika z rys.3.1 przedstawione problemy s� zespolone w jedn� cało�� i wyst�puj� w ró�nych etapach realizacji eksperymentu. Teoria eksperymentu powstała pod presj� d��e� do po prawy efektywno�ci bada� naukowych, rozumianej jako stosunek ilo�ci i jako�ci informacji naukowej do poniesionych kosztów i czasu bada�. Poniewa� badanie zło�onych obiektów wymaga uwzgl�dnienia wielu czynników „n” wpływaj�cych na wynik ko�cowy „z”, to niezb�dne jest wyznaczenie z bada� funkcji wielu zmiennych w postaci:

z F x x xi= ( , ,..., )1 2 (3.1)

TEORIA EKSPERYMENTU

PROGRAMOWANIE MODELOWANIE BADA� ANALIZA ANALITYCZNE DOWIADCZALNYCH WYNIKÓW

Rys.3.1 Schemat struktury teorii eksperymentu. Liczba pomiarów okre�lana jest wi�c z zale�no�ci: n n n n nk i= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅1 2 ... ... (3.2) Mo�na łatwo obliczy�, �e dla i=10, ni = 10, st�d n = 1010 sk�d wynika, �e gdyby jeden po-miar trwał 1 godzin�, to czas bada� kompletnych mo�na oszacowa� na około 1 mln lat. Teoria eksperymentu umo�liwia na pocz�tku okre�lenie celu i metod analizy wyników pomiarów, a potem dopiero przyj�cie odpowiedniego planu do�wiadczenia i realizacje pomia-rów. Plan do�wiadczenia musi równocze�nie uwzgl�dnia� postulat, aby liczba pomiarów wymaganych według tego planu była mo�liwie mała. W naukach empirycznych tworzenie warto�ciowych informacji poznawczych jest zawsze uzale�nione od sposobu przeprowadzenia bada� empirycznych, maj�cych na celu zebranie odpowiednich wyników pomiarów lub weryfikacj� sformułowanych hipotez i zało�e� badawczych. W�ród bada� empirycznych rozró�nia si� (rys.3.2) : - obserwacje; - do�wiadczenia; - eksperymenty. Obserwacje maj� miejsce wtedy, gdy badacz B lub system badaj�cy B mo�e tylko odbiera� sygnały pochodz�ce z systemu badanego S i nie wywiera na ten system �adnego wpływu. Zrozumienie odbieranych sygnałów przez badaj�cego B dostarcza mu informacji o �ródle owych sygnałów. Na rys.3.2 A). przedstawiono najprostszy schemat badania empi-rycznego. Badany system S posiada warto�ciowe dla badaj�cego B informacje zawarte w zbiorach Is1 oraz Is2. Na skutek niedoskonało�ci aparatury pomiarowej, ułomno�ci badaj�cego lub innych losowo-uzale�nionych przyczyn, co ilustruje filtr F1, system B otrzymuje tylko pewien podzbiór Is2 warto�ciowych informacji. Korzystaj�c z wiedzy badacza WB pobiera on IWB informacji, które wykorzystuje do przetworzenia informacji Is2. Je�eli system B nie wy-korzysta wszystkich warto�ciowych informacji, trac�c informacje zbioru IB1-co ilustruje filtr F2, to wyprowadza na zewn�trz ich cz��� IB2 jako ko�cowy zbiór informacji Ik. Informacje te s� tak�e gromadzone przez badaj�cego B, zwi�kszaj�c jego wiedz� WB. Schemat badania empirycznego polegaj�cego na przeprowadzaniu do�wiadcze� poka-zano na rys. 3.2 B), w którym wyst�puje dodatkowo blok wiedzy badacza o modelu matema-tycznym lub fizycznym M(S). W celu uproszczenia opisu i schematu nie zaznaczono ju� w tym i nast�pnym schemacie filtrów F1 i F2, mimo i� istniej� one równie� i odgrywaj� identyczn� rol� co poprzednio. Badaj�cy system B korzystaj�c ze swej wiedzy WB opracowuje przy pomocy zbioru warto�ciowych informacji IWB1 model badanego systemu,

optymalizuj�cy przebieg badania. Warto�� informacji IB2 wytworzonych przez system B jest zdecydowanie wi�ksza ni� w poprzednim przypadku.

A).

B).

C).

OBSERWACJA

WB

IwB

IS1

SYSTEM Badacz I B2 IK

IS2 IB1

F1 F2

DOWIADCZENIE IWB1

M(S ) WB

IMS1 IB1 IWB1 IB2

IS1

SYSTEM Badacz IB2 IK

EKSPERYMENT IB2

M(S) WB IR M(S)1 IWB1

IB2

ISP BadaczSYSTEM IS1 IB2=IK

IK2 IB2

IK1

Ii1 Komputer Bank IS1 Ii2 informacji Ii3

Rys. 3.2 Specyfika bada� empirycznych: obserwacja (A), do�wiadczenie (B) oraz eksperyment (C).

Eksperyment, którego schemat realizacji pokazano na rys.3.2 C) w porównaniu z do�wiadczeniem ró�ni si� dodatkowym wprowadzeniem nast�puj�cych urz�dze�: - informatycznych systemów pomiarowych ISP, przekazuj�cych bezpo�rednio informacje do komputera; - komputera o konfiguracji wynikaj�cej z celu badania; - banku informacji w zewn�trznej pami�ci komputera; - systemem sterowania stanami badanego systemu S za pomoc� sygnałów Ir. Ten schemat badania systemu S pozwala na uzyskiwanie informacji o jeszcze wi�kszej war-to�ci ni� poprzednio. Z banku informacji na ka�de ��danie mo�liwe jest uzyskiwanie dodat-kowych informacji o badanym systemie S. Przebieg procesu tworzenia warto�ciowych informacji poznawczych przez system badaj�cy B na systemie empirycznym S ilustruje schemat pokazany na rys.3.3. System bada-j�cy B składa si� zawsze ze zbioru ludzi oraz aparatury pomiarowej. System ten posiada wie-dz� o badanym obiekcie S w postaci zbioru Ip. Podczas bada� system B otrzymuje o systemie

B SYSTEM S

Informacje posiadane IP Informacje uzyskane empirycznie IS

METODY PRZETWARZANIE INFORMACJI ALGORYTMY M P = [ Ip, Is, M, A] A

WARTO�CIOWE INFORMACJE POZNAWCZE I

Rys.3.3 Schemat procesu wytwarzania nowych informacji warto�ciowych. S informacje Is, które przetwarza metodami M i algorytmami A. Rezultatem tych działa� s� wytworzone informacje poznawcze I o badanym systemie S. W badaniach, podczas planowania i realizacji pomiarów dla potrzeb oceny jako�ci maszyny znajduje zastosowanie najcz��ciej eksperyment, w formie czynnej, biernej i bierno-czynnej, których charakterystyka została dalej omówiona. 3.3 Planowanie eksperymentów Badania jako�ci maszyn umo�liwiaj� okre�lenie ich stanu technicznego, opracowanie wytycznych jego poprawy i prognozowanie dalszego u�ytkowania. Najefektywniej mo�na to wykona� przez programowanie bada�, gdzie wła�ciwie zaplanowany eksperyment jest podstawowym �ródłem informacji o obiekcie bada� (jego aktualnym stanie, rozwijaj�cych si� uszkodzeniach, symptomach odwzorowuj�cych stan) i stanowi podstaw� opracowywanych procedur kontroli zachodz�cych zmian. Planowanie eksperymentów prowadzi si� dla potrzeb wyznaczenia (lub weryfikacji) podanego opisu matematycznego modelu obiektu, weryfikacji hipotez badawczych, obser-wacji nowych faktów oraz ułatwienia oblicze� w fazie opracowywania wyników.

Przegl�d najcz��ciej stosowanych programów bada� do�wiadczalnych pokazano na rys.3.4.Programy bada� do�wiadczalnych w eksperymentach mo�na podzieli� na dwie grupy:

PROGRAMOWANIE EKSPERYMENTÓW

EKSPERYMENT CZYNNY EKSPERYMENT EKSPERYMENT BIERNY BIERNO-CZYNNY

PROGRAMY STATYCZNE PROGRAMY DYNAMICZNE

uwarunkowany losowy optymalizacyjne adaptacyjne

całkowity całkowity sekwencyjne ewolucyjne

cz��ciowy blokowy gradientowe sympleksowe

jedno- wielo- kwadraty bezgradientowe czynnikowe łaci�skie grecko- łaci�skie - rzadko stosowane

Rys. 3.4 Systematyka planów eksperymentów w badaniu 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 warto�ci czyn-ników badanych Xi (cech stanu), dla których b�d� przeprowadzane pomiary warto�ci symptomów Sj zostaj� okre�lone jednocze�nie przed rozpocz�ciem 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. 3.4 na ka�dym 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 rozpocz�ciem bada� okre�la si� tylko jeden wybrany układ warto�ci czynników badanych (cech stanu) Xi, od którego rozpoczyna si� pomiary oraz ustala si� procedur� dla wyznaczenia kolejnego układu czynników badanych, uwzgl�dniaj�cych wynik poprzednich pomiarów. W tym przypadku w zastosowaniu bada� diagnostycznych s� to eksperymenty bierne, gdy� Z,E=const, N-przypad-kowe, X-szukane. Programy statyczne pozwalaj� na okre�lenie rodzaju, liczby i warunków pomiaru przed rozpocz�ciem bada�, co znakomicie ułatwia ich przygotowanie techniczno-organizacyj-ne. Natomiast programy dynamiczne to sekwencje, z których ka�da uwzgl�dnia wyniki po-przednich pomiarów, co z kolei utrudnia techniczno-organizacyjn� stron� realizacji bada�. Nale�y od razu podkre�li�, �e mi�dzy tymi programami istnieje silne powi�zanie: pewne programy o zbli�onych zasadach mog� by� traktowane jako statyczne, albo przy pewnych niewielkich zmianach staj� si� programami dynamicznymi. Teoretycznie najlepsz� drog� do rozwi�zywania problemów bada� do�wiadczalnych jest wła�ciwie zaprojektowana procedura eksperymentu. Planowanie to mo�e mie� ró�ny przebieg,zale�nie od przedmiotu bada�, celów poznawczych, charakteru ��danych informacji,

wreszcie od procedur i technik badawczych jakie s� dost�pne w badaniach. Istniej� jednak pewne ogólne reguły post�powania w procesie planowania, wa�ne dla wszelkiego rodzaju pro- blemów i procedur, przestrzeganie których wprowadza porz�dek do procesu planowania i chroni badacza przed zaniedbaniami niekorzystnymi dla rezultatów bada�. Istota przydatno�ci teorii eksperymentu w planowaniu bada� polega na tym, �e wła�ciwie dobrany program bada� zapewnia: - wyznaczenie funkcji stanowi�cej matematyczny opis obiektu bada� (model OB) i to funkcji o z góry przyj�tej postaci; - ograniczenie ogólnej liczby pomiarów do rozs�dnych, raczej małych warto�ci. Realizacja tak formułowanych zada� jest mo�liwa za pomoc� odpowiednio dobranych do celów badania gotowych lub opracowanych planów. I tak: - je�eli celem bada� jest wyznaczenie funkcji obiektu bada�, to nale�y poszukiwa� planu w grupie planów zdeterminowanych (uwarunkowanych); - je�eli celem bada� jest weryfikacja istotno�ci wpływu wielko�ci wej�ciowych, to nale�y po-szukiwa� planu w grupie planów statycznych randomizowanych (losowych); - je�eli celem bada� jest wyznaczenie ekstremum obiektu bada�, to wła�ciwe plany znajduj� si� w grupie planów optymalizacyjnych. Planowanie bada� do�wiadczalnych obejmuje nast�puj�ce etapy bada�: 1. charakterystyka obiektu bada�, opracowuj�c j� nale�y: - ustali� stan wiedzy w zakresie tematu, a tym samym okre�li� zagadnienia wymaga-j�ce rozwi�zania na drodze do�wiadczalnej; - okre�li� zbiory wielko�ci charakteryzuj�cych obiekt bada� (wielko�ci wej�ciowe, wyj�ciowe, stałe i zakłócaj�ce); - okre�li� relacje mi�dzy wielko�ciami, które nale�y rozpozna� w wyniku bada� do�wiadczalnych; 2. cel bada� do�wiadczalnych dobrze okre�lony stanowi podstaw� powodzenia i najcz��ciej dotyczy jednej z mo�liwo�ci: - wyznaczenia funkcji (modelu) obiektu bada�, gdzie celem jest ustalenie zwi�zków mi�dzy wszystkimi wielko�ciami wej�ciowymi a wielko�ci� wyj�ciow�; - wyznaczenia stanu granicznego symptomów lub granic dla klasyfikacji zdatno�ci i niezdatno�ci badanych obiektów; - weryfikacja istotno�ci wpływu wybranych wielko�ci wej�ciowych na wielko�ci wyj�ciowe na tle zakłóce� losowych; 3. metoda bada� do�wiadczalnych dotyczy: - wyboru wła�ciwego planu do�wiadczenia; - okre�lenia sposobu jego realizacji i liczby powtórze� pomiarów; - okre�lenia metod i �rodków pomiarowych (stanowisko badawcze); 4. realizacja bada� do�wiadczalnych na przygotowanym stanowisku badawczym zgodnie z zasadami punktu 3; 5. analiza wyników i wnioskowanie prowadzone w zale�no�ci od realizowanego celu bada-nia, dost�pnymi metodami wnioskowania i narz�dziami wizualizacji wyników; 6. wnioski z bada� formułuje si� w postaci: - wniosków poznawczych; - wniosków utylitarnych (praktycznych); - rozwojowych, okre�laj�cych kierunki dalszych bada�. W zastosowaniu do eksperymentów diagnostycznych najcz��ciej rozwi�zywany jest pro-blem okre�lenia funkcji obiektu, poszukiwanie którego prowadzi si� w oparciu o modelowa-nie empiryczne lub analityczne.

Konieczno�� opracowania wystarczaj�co adekwatnych modeli matematycznych obiektu wynika z wielowymiarowo�ci diagnozowanych obiektów, zmian zbioru warto�ci symptomów stanu pod wpływem ró�norodnych czynników, w tym niemierzalnych zakłóce�. Najbardziej rozpowszechniony jest model funkcjonalny (dekompozycja obiektu na bloki funkcjonalne z jednym wyj�ciem), który w wersji zmodernizowanej nazywa si� "modelem zu�ywania 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 przyj�ty (lub nie) model badanego systemu empirycznego, jak te� sposób interpretacji i formalizacja wyników pomiarów. Warto�� uzyskanych wyników zale�y od wła�ciwego zaplanowania i przygotowania eksperymentu, 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),

• okre�lenie warunków realizacji pomiarów (rodzaj mierzonej wielko�ci, dokładno��

pomiaru, czas trwania realizacji, sposób przetwarzania),

• przyj�cie a priori wst�pnego modelu obiektu bada� (heurystyczny, dedukcyjny,

analityczny, empiryczny),

• analiza statystyczna wyników okre�laj�ca zwi�zki przyczynowo-skutkowe i bł�dy,

• ustalenie modelu diagnostycznego badanego obiektu (a posteriori),

• okre�lenie zakresu słuszno�ci działania modelu (warto�ci graniczne : techniczne i

ekonomiczne),

• opracowanie procedury diagnostycznej dla zastosowa� praktycznych. • utworzenie "banku informacji" z uzyskanych danych pomiarowych. Planowanie eksperymentów obejmuje zatem swym zasi�giem zagadnienia główne zwi�zane z : * uzasadnieniem potrzeby eksperymentu, * wyborem formy eksperymentu, * opisem modelu funkcjonowania obiektu, * generacj� sygnałów wyj�ciowych, * rejestracj�, przetwarzaniem i selekcj� pozyskiwanej informacji, * wnioskowaniem przyczynowo-skutkowym. Nowym zagadnieniem w �wietle strategii bada� obiektów staje si� problematyka racjonalnego planowania bada�, zarówno optymalizacji okresowo�ci bada� jak i ich zakresu. 3.4 Formy eksperymentów Uznaj�c generalnie za słuszny przyczynowo-skutkowy model (stan-symptom) działa-nia obiektu, uwzgl�dniaj�cy maszyn� w ruchu z zaznaczeniem wej�� i wyj�� typu: zasilanie Z, sterowanie E, zakłócenia N, stan eksploatacyjny X i generowane symptomy stanu S, mo�na obserwowalno�� stanu rzeczywistego (rys.3.5) zapisa� zale�no�ci�: S(θθθθ,r) ≡≡≡≡ A(r) X(θθθθ) + N(θθθθ,r) (3.3) przy zało�eniu: Z, E = const.

STATYKA I DYNAMIKA

{czas "t",θprzestrzeñ "r"}

ZU¯ YCIE{czas ¿ycia"θ",stan X(θ)}

sterowanie E

zak³ócenia N

zasilanie Z

-energia-surowiec

MASZYNA {procesyrobocze}

G(S,X,Z,E,N)=0

{procesyresztkowe}X,S,E,Z,N=φ (θ)i

destrukcyjne

sprzê¿enie zwrotne

produkt

Rys.3.5 Model obiektu bada�. Obiekt bada� w uj�ciu potrzeb realizowanych eksperymentów istnieje wi�c na trzech poziomach (miary czasu i przestrzeni): - na poziomie dynamiki z czasem dynamicznym „t”, gdzie generowane s� sygnały i symptomy stanu Sj (t, θ, Z, X, E, N); - na poziomie czasu �ycia (eksploatacji) „θ„ , od którego zale�y stan obiektu X i generowane sygnały wyj�ciowe (procesy dynamiczne) wkorzystywane dalej w rozró�nianiu stanu; - na poziomie rozległo�ci przestrzennej obiektu ze współrz�dn� „r” , zwi�zan� z miejscem odbioru sygnału. Ł�czne zakłócenia wyst�puj�ce zarówno na etapie odbioru sygnału S(θ, t, r) jak i na etapie tworzenia symptomów stanu Sj(θ) wskazuj� na potrzeb� ich minimalizacji w dziedzi-nach : „r, t, θ, j”. Sytuacja ta, generalnie słuszna w badaniach maszyn, warunkuje potrzeb� planowania optymalnych eksperymentów, uwzgl�dniaj�cych minimalizacj� zakłóce� i maksymalizacj� wiarygodno�ci podejmowanych decyzji.

- wybór przetwornika - wybór miejsc odbioru sygnału

SYGNAŁ - wybór miar sygnału

PROCESOR (analogowy, cyfrowy)

SYMPTOMY, WARTO�CI GRANICZNE

METODY WNIOSKOWANIA

SYMPTOM STANU PRAWDOPODOBNY DOMNIEMANY SYMPTOM STANU SYMPTOM STANU

MODEL OBIEKTU BADA�

PROCEDURA

BADANIA EKSPERYMENTALNE

BIERNO-CZYNNECZYNNE BIERNE

S,X - znaneZ,E - const. (zadane, znane)N - przypadkowe

S - znaneX - znane krokowoZ,E - const. (zadane, znane)N - przypadkowe

S - znaneX - szukaneZ,E - const. (zadane)N - przypadkowe

Rys.3.6 Podział eksperymentów.

[Oznaczenia: S-wektor symptomów, X-wektor cech stanu obiektu, Z-wektor zasile�, E-wektor sterowa�, N-wektor zakłóce�].

Realizator bada� ma zawsze dwa wyj�cia: - opracowa� własny plan bada�, co szczególnie dla wi�kszej liczby wielko�ci wej�ciowych jest bardzo ryzykowne, a czasem wr�cz niemo�liwe; - wybra� z dost�pnych do�wiadcze� literaturowych lub baz programów komputerowych jeden z typowych, gotowych programów teorii eksperymentu sporz�dzonych dla ró�nych postaci zało�onych funkcji obiektu bada�. Celem realizowanych eksperymentów jest wi�c : 1 - wybór reprezentatywnych cech stanu; 2 - wybór sygnałów b�d�cych najlepszymi no�nikami informacji o maszynie; 3 - rozpoznawanie stanu maszyny; 4 - budowa procedury badawczej.

Eksperyment czynny Eksperyment czynny jest stosowany szczególnie w ustalaniu relacji "stan-sygnał" w wa-runkach laboratoryjnych z kontrolowan� zmian� cech stanu {X} i sterowania {E}.Mamy wi�c tu znane cechy stanu obiektu jak i warto�ci odpowiadaj�cych im symptomów stanu. Jest on szczególnie przydatny w przypadkach krótkiego czasu na badania i niewielkiej ilo�ci danych pomiarowych. Stosowany jest najcz��ciej dla potrzeb identyfikacji i optymalizacji modelu matematycznego nowego lub modernizowanego obiektu. W zastosowaniach (rys.3.7) praktycznych kontrolowana zmiana stanu oznacza demonta� zespołów, co oprócz

Z

S u OB y R wy

Rys.3.7 Eksperyment czynny. {S-sterowanie, u-wymuszenia steruj�ce, OB-obiekt badania, Z-wymuszenia zewn�trzne, y-wyjscia, R-przetwarzanie, wy-wynik eksperymentu]. kłopotów organizacyjnych jest równowa�ne, po ponownym monta�u, innemu ("nowemu") egzemplarzowi maszyny. Praktyczne stosowanie tej formy bada� jest stosunkowo cz�ste, chocia� wymaga doboru odpowiedniej organizacji eksperymentu czynnego i jest mo�liwe w zasadzie tylko w warunkach laboratoryjnych. Eksperyment bierny Eksperyment bierny polega na badaniu obiektu w naturalnych warunkach jego pracy, bez znajomo�ci cech stanu {X}, a jedynie przy zało�eniu jego sposobu zu�ywania si�. Dysponu-jemy tu jedynie wynikami pomiarów, a pozostaje problem zastosowania metody opracowania tych wyników i konstruowania modelu, który mo�liwie dobrze przybli�a rzeczywisto��. Istota tej formy badania pokazana została na rys.3.8. Zalet� tej formy eksperymentu jest nie zakłócenie normalnej pracy obiektu, co w warun-kach przemysłowych jest spraw� ogromnej wagi. Do ogranicze� takich bada� nale�y zaliczy�: - długi czas zbierania koniecznej informacji w postaci wektora obserwacji {S}, - fragmentaryczno�� zebranych informacji ze wzgl�du na niewielki zazwyczaj zakres zmian warto�ci parametrów w czasie normalnej pracy, - mo�liwo�� skonstruowania bł�dnego modelu w przypadku pomini�cia istniej�cych wspól- nych zale�no�ci czynników wpływaj�cych na własno�ci wyj�� modelu oraz wej�� steruj�- cych, przez nieznane dla eksperymentatora zakłócenia, - trudno�ci obliczeniowe zwi�zane z wyznaczeniem analitycznej postaci modelu matema- tycznego.

Z y wy OB R

Rys.3.8 Eksperyment bierny.

Powy�sze własno�ci powoduj�, �e metody budowania modeli oparte na wynikach bier- nego eksperymentu stosuje si� tam gdzie: - wyniki pomiarów mog� mie� przybli�ony charakter jako�ciowy, np. w badaniach rozpoz-nawczych, - nie ma innej mo�liwo�ci przeprowadzenia eksperymentu np. urz�dzenia bez regulacji, jed-nostkowe, odpowiedzialne itp., - wystarczy w zupełno�ci prosta (np. liniowa) posta� modelu oraz istniej� warunki na prowa-dzenie długotrwałych obserwacji obiektu lub grupy obiektów. W tym ostatnim przypadku obserwuje si� procesy fizyczne podczas naturalnego zu�ywa-nia si� obiektów, tworz�c w kategoriach ró�nych symptomów diagnostycznych tzw. "krzywe �ycia". Uzyskane wyniki kolejnych pomiarów daj� składowe macierzy obserwacji umo�li-wiajce dalej poszukiwania ortogonalnych wektorów własnych o maksymalnym zasobie zmienno�ci. Wykorzystywane s� one w modelu obiektu w postaci składowych głównych wektora obserwacji. Eksperyment bierno - czynny Eksperyment bierno - czynny polega na obserwacji sygnałów wyj�ciowych, z równo-czesnym pomiarem cech stanu dla jednej lub dwu warto�ci czasu eksploatacji, jednak bez mo�liwo�ci ingerencji w warto�ci cech stanu badanego obiektu. Typowym przykładem jednopunktowego zbierania danych to badania cech stanu tu� przed planowan� napraw� maszyny, lub tu� przed wył�czeniem maszyny z ruchu w obawie przed awari�. W takich wypadkach po demonta�u mo�na dokona� pomiarów wszystkich interesuj�cych nas cech stanu. Idea takiego eksperymentu została pokazana na rys.3.9.

Z

u y wy

OB R

Rys.3.9 Eksperyment bierno - czynny. Lepszym wariantem jest dwupunktowe zbieranie informacji, gdzie bada� cech stanu do-konuje 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 opracowa-nia wyników bada� mo�na uzyska� solidne podstawy do wyra�enia relacji "stan-symptom", wyznaczenia warto�ci granicznych do dwustanowej klasyfikacji obiektów (zdatny/niezdatny). Przyj�cie w badaniu maszyny jednej z przedstawionych form eksperymentu jest warunkowane wieloma czynnikami, jak np.: - mo�liwo�ci� realizacji danej formy eksperymentu i zmiennymi warunkami pracy obiektu; - rodzajem maskowania informacji wyj�ciowej; - trudno�ciami wprowadzania okre�lonych stanów zu�ycia lub stopnia uszkodzenia elementu; - nieznajomo�ci� wła�ciwo�ci torów rozprzestrzeniania si� sygnałów w zło�onym obiekcie. Sam przebieg (pomiar i wnioskowanie) realizowanej formy eksperymentu jest zale�ny od szeregu czynników, w�ród których do najwa�niejszych nale��: - klasa badanych obiektów (proste, zło�one); - charakter mierzonego sygnału wyj�ciowego (zakres zmienno�ci, warto�ci graniczne); - warto�ci i charakter oddziałuj�cych zakłóce�;

- przyj�ta metodyka analizy wyników pomiarów; - zasady wnioskowania dla dost�pnego modelu badanego obiektu. Problematyka bada� maszyn, ze wzgl�du na specyficzny ich charakter i zło�ono�� warunków i miejsca realizacji tych bada�, ró�norodno�� sygnałów i sposobów ich przetwa-rzania w symptomy stanu, zró�nicowane podej�cie do wnioskowania itd, wyra�nie wskazuj� na pewn� odmienno�� tej grupy realizowanych do�wiadcze�. 3.5 Specyfika realizowanych eksperymentów Coraz wi�ksza zło�ono�� współczesnych maszyn oraz masowo�� ich stosowania, stawiaj� przed nimi rosn�ce wymagania, kształtowane i podtrzymywane w fazie warto�ciowania, kon-struowania, wytwarzania i eksploatacji. Kontrol� jako�ci tych wymaga�, czyli ich szeroko poj�tego stanu, stwarzaj� badania do�wiadczalne. S� one stosowane zarówno na etapie kon-struowania - najcz��ciej w formie eksperymentu czynnego, jak i na etapie wytwarzania - najcz��ciej w formie eksperymentu bierno - czynnego oraz na etapie eksploatacji - najcz��ciej w formie eksperymentu biernego. Realizowane zło�one procesy technologiczne umo�liwiaj� te� wykorzystanie informacji o ocenianym procesie - w formie eksperymentu biernego. Eksperyment czynny za cen� ingerencji w normalne warunki pracy obiektu (programo-wane zmiany stanu X) jest cz�sto jedynie mo�liwym 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 mo�liwy. Ze wzgl�du na małe mo�liwo�ci modelowania zmian cech stanu badanego obiektu (ka�dy demonta� dla modelowania cech daje zupełnie inn� maszyn�; zmiany cech obiektu w czasie badania s� małe lub cz��ciej niezauwa�alne) u�yteczno�� tej formy bada� jest niewielka. Ogranicza si� zakres jego stosowania do badania wpływu obci��e�, sterowania i zakłóce� na warto�ci parametrów obserwowanych sygnałów. Szczególnie istotna, warta wyró�nienia jest specyfika biernych i bierno-czynnych eks-perymentów, których stosowanie w praktyce jest cz�sto jedynie mo�liwe. Te formy eksperymentów s� mo�liwe do realizacji w warunkach normalnego funkcjonowania maszyn, w których zachodz� zauwa�alne dla badaj�cego procesy destrukcyjne odwzorowywane w mierzonych sygnałach wyj�ciowych. Istniej� jednak tu tak�e pewne ograniczenia w zakresie pełnego zrealizowania wymogów eksperymentu, których specyfika jest charakteryzowana poprzez : - niemo�no�� tworzenia dowolnych układów planu eksperymentu, gdy� zmiany składowych modelu eksperymentu s� ograniczone ci�gło�ci� procesu produkcyjnego; - wyst�powanie szczególnie silnych oddziaływa� wielko�ci zakłócaj�cych (warunki produk-cyjne) i nie zawsze w pełni odwzorowane warto�ci składowych modelu obserwacji np. ob-ci��e�, zasile�, sterowa� itd; - specyficzne warunki bada� przemysłowych wymuszaj�ce potrzeb� posiadania specjalis-tycznej aparatury (przeno�nej, iskrobezpiecznej itp.); - brak mo�liwo�ci (uzasadnionej planem eksperymentu) sterowania liczb� i czasem pomiaru. Ograniczenia te wymuszaj� potrzeb� dokładnego zaplanowania przebiegu i organizacji eksperymentów, a tak�e stosowanie komputerowych technik akwizycji i przetwarzania pozyskanych wyników. Specyficzne dla bada� maszyn s� zadania, które w wyniku realizacji eksperymentu winny da� odpowied� na pytania: - jak działaj� podzespoły maszyny oraz maszyna jako cało�� ? - jakie s� aktualne warto�ci symptomów stanu maszyny ?

- w jakim stopniu spełnione s� wymagania techniczne ? - jak oceni� niezawodno�� funkcjonaln� maszyny ? - gdzie nale�y poszukiwa� uszkodze� ? - jakie s� przyczyny zaistniałych uszkodze� ? - jakimi �rodkami przywróci� nominalny stan maszyny ? - w jaki sposób przeciwdziała� powtarzaniu si� uszkodze� ? 3.6 Ogólne zasady eksperymentowania Realizacja bada� eksperymentalnych wymaga wykonania kilku kompleksowo zgrupo-wanych zespołów czynno�ci, takich jak: - sformułowanie celów i programu bada�; - przygotowanie stanowiska badawczego; - prowadzenia bada� według przyj�tego planu; - opracowanie wyników pomiarów.

Zmiana OBIEKT Pomiary wielko�ci BADA wielko�ci wej�ciowych wyj�ciowych

PROGRAM BADA

Warstwa sterowania ekspe rymentem

Redukcja danych Porównanie wyników pomiaru z przewidywaniem

Wizualizacja wyników Przewidywanie wyników Badanie eksperymentu modelu

Warstwa przetwarzania da nych i oceny wyników

Sformułowanie celów Model obiektu Wnioski Zmiany i warunków bada� bada� o stanie obiektu modelu

EKSPERYMENTATOR Warstwa decyzji

Rys.3.10 Organizacja prac eksperymentalnych. Organizacj� czynno�ci podczas przebiegu eksperymentu mo�na schematycznie przed-stawi� jak na rys.3.10, wyró�niaj�c: - warstw� bezpo�redniego sterowania eksperymentem, polegaj�cego na uzmiennianiu wiel-ko�ci wej�ciowych i wykonywaniu pomiarów zgodnie z planem bada�; - warstw� przetwarzania wst�pnego i dokładnego danych pomiarowych, badania modelowe i porównywanie ich z danymi pomiarowymi; - warstw� decyzji, w której eksperymentator na podstawie otrzymanych wyników cz��cio-wych dokonuje korekt dalszego przebiegu eksperymentu, zmian w modelu i obiekcie.

Wymienione czynno�ci s� pracochłonne, ich realizacja natomiast kosztowna z powodu zło�ono�ci i wysokich kosztów eksploatacji współczesnych stanowisk badawczych. Prowa-dzenie bada� jest wi�c coraz cz��ciej przedmiotem automatyzacji i wspomagane jest nowo-czesnymi technologiami informatycznymi. Schemat podstawowych czynno�ci eksperymentatora, wynikaj�cy z zakresu ogółu prac eksperymentalnych pokazano na rys.3.11.

PROJEKT EKSPERYMENTU ORGANIZACJA

REALIZACJA

DECYZJA O KONTYNUACJI PRZETWARZANIE

Rys. 3.11 Schemat czynno�ci eksperymentatora. Poprawne zrealizowanie eksperymentu obejmuje zatem elementy badania naukowego w postaci ni�ej podanych zagadnie� : - postawienie problemu i hipotez roboczych, - okre�lenie materiału dowodowego weryfikuj�cego przyj�te hipotezy, - wskazanie aspektów uogólniajcych sformułowanego problemu, - przyj�cie zakresu prowadzonych bada�, - zaplanowanie kolejnych etapów bada�, - rozwa�enie potrzebnych �rodków technicznych, finansowych i liczebno�ci personelu. Realizacje kolejnych elementów zadania badawczego obejmuje : - budow� modelu funkcjonowania obiektu, - opracowanie systemu wykorzystania informacji zawartej w procesach wyj�ciowych (model obserwacji + algorytmy dyskryminacji symptomów); - budow� układu decyzyjnego zwi�zanego z podejmowaniem decyzji. Ka�dy eksperyment winien obejmowa� zatem: - przyj�cie a priori wst�pnego modelu obiektu bada� (heurystyczny,dedukcyjny,empiryczny); - wybór metodyki bada� do�wiadczalnych wg wymaga� eksperymentu czynnego, biernego lub bierno-czynnego; - analiz� statystyczn� wyników, okre�lajc� zwi�zki przyczynowo-skutkowe i bł�dy; - analiz� merytoryczn� uzyskanych wyników, - ustalenie modelu obiektu (a posteriori), - opracowanie procedury dla zastosowa� praktycznych. Analizuj�c elementy główne ka�dego eksperymentu uwzgl�dniajce obiekty bada� (w lo-sowo ró�nym stanie), opis generowanych sygnałów jak i sposoby ich przetwarzania mo�na stwierdzi�, �e wszelkie własno�ci obiektów wyra�ane s� w kategoriach losowych. Te losowe własno�ci powoduj�, �e wszystkie stwierdzenia s� wyra�ane w kategoriach prawdopodo-bie�stw z okre�lonym poziomem ufno�ci. Warunkuje to potrzeb� stosowania nowoczesnych metod i technik badawczych dla uzyskania maksimum prawdopodobie�stwa wypracowy-wanych decyzji. Wydaje si� mało prawdopodobne, by sformułowanie pełnego i zarazem dostatecznie ogól-nego wykazu zasad praktycznych realizacji bada� było mo�liwe. Niemniej jednak, poni�ej podano zestawienie pewnej liczby pyta�, które istotnie wpływaj� na wyniki eksperymentów: - czy problem badawczy został wła�ciwie sformułowany ? - czy cel bada� jest precyzyjnie okre�lony ? - czy przyj�to wła�ciwy plan bada� ?

- czy umiej�tno�ci zespołu odpowiadaj� wymogom planu bada� ? - jak wygl�da bilans potrzeb wynikaj�cych z planu bada� w zakresie czasu pracy, �rodków rzeczowych i finansowych ? - czy narz�dzia i metody badawcze zostały sprawdzone pod wzgl�dem skuteczno�ci; - jakich trudno�ci i zakłóce� mo�na oczekiwa� w toku realizacji bada� ? - jakie przedsi�wzi�to �rodki dla zauwa�enia istniej�cego rozwi�zania problemu lub jego braku ? - czy w planie bada� uwzgl�dniono ewentualn� konieczno�� formułowania i rozwi�zywania zada� pomocniczych i pobocznych ? - jakie ustalono zasady analizy wyników cz��ciowych ? - czy ustalono zasady zmiany planu bada� warunkowane przez wyniki cz��ciowe ? - jaki przyj�to sposób opisu materiału badawczego? Przy formułowaniu wyników zrealizowanego eksperymentu nale�y poda� rzetelne odpo-wiedzi na nast�puj�ce pytania: - czy i w jakim zakresie rowi�zano problem badawczy ? - w jakich dziedzinach nauki i/lub praktyki znajdzie zastosowanie uzyskane rozwi�zanie ? - jakie nowe problemy wyłaniaj� si� w zwi�zku z wynikami bada� ? - jak przebiegała realizacja planu bada� ? - jak nale�y oceni� zastosowane metody i narz�dzia badawcze ? - jakie wyst�piły zakłócenia w trakcie bada� (czasowe, merytoryczne, sprz�towe) ? - co wynika z pozyskania nowej wiedzy w zakresie sformułowanego problemu badawczego ? 3.7 Komputerowe wspomaganie eksperymentu Nowoczesne technologie informatyczne coraz szerzej wkraczaj� w sfer� bada� obiektów, szczególnie w zakresie: 1. wspomagania zagadnie� problematyki identyfikacji, modelowania i symulacji zachowa� obiektów bada�; 2. realizacji i sterowania przebiegiem ró�nych form eksperymentów; 3. wnioskowania i podejmowania decyzji; 4. opracowywania wyników bada� i zakładania baz danych; 5. optymalizacji zarz�dzania systemem eksploatacji sterowanym metodami i �rodkami badania jako�ci maszyn. Wykorzystanie komputerów podczas bada� eksploatacyjnych preferuje ró�ne formy eksperymentów, gdzie istnieje mo�liwo�� automatycznej akwizycji danych, przetwarzania i wnioskowania maszynowego. Tak�e w eksperymentach tych istnieje mo�liwo�� programo-wanej ingerencji w zmiany stanu (zachowa�) badanych obiektów, co znacznie ułatwia roz-wi�zywanie problemów modelowania i symulacji. Podstawowe funkcje realizowane przez system obsługi eksperymentu, budowany w oparciu o nowoczesne technologie informatyczne pokazano na rys.3.12. Przykładowe zadania, które s� mo�liwe do realizacji w eksperymencie wspomaganym komputerowo, s� nast�puj�ce : - pomiary wielko�ci fizycznych w wielu punktach pomiarowych, - pomiar cz�stotliwo�ciowego rozkładu spektralnego wielko�ci szybkozmiennych, - oddzielenie sygnału u�ytecznego od szumów ró�nymi metodami, np.metod� u�redniania, - odczytywanie jednoczesne wskaza� stanu wielu przyrz�dów, takich jak : woltomierzy cyfro- wych, cz�sto�ciomierzy i innych, - sterowanie prac przyrz�dów pomiarowych i całych stanowisk, - wydruki wyników bada�,

ANALIZA WYMIAROWA

PLANOWANIE EKSPERYMENTU

REALIZACJA EKSPERYMENTU

S O E PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

ESTYMACJA MODELI LINIOWYCH

EKSPERYMENT WIELOSTOPNIOWY

Rys. 3.12 Struktura systemu obsługi eksperymentu (SOE). - przedstawienie danych na ekranie monitora graficznego, - wyprowadzenie danych w postaci wykresów na urz�dzeniu rysuj�cym, - dyskretyzacja danych przedstawianych w postaci wykresów i rysunków, - zapami�tywanie du�ych ilo�ci danych do dalszej obróbki, - bie��ce przetwarzanie danych podczas eksperymentu, - przesyłanie danych do innych systemów komputerowych, - wykonywanie prostych oblicze� w trybie interakcyjnym, - sterowanie eksperymentem, obejmuj�ce klasyczne planowanie eksperymentu jak równie� sterowanie �rodkami technicznymi wyposa�enia stanowiska badawczego, umo�liwiaj�ce automatyzacj� eksperymentu, - dialog eksperymentatora z systemem, umo�liwiaj�cy ingerencj� w przebieg i sposób prze- twarzania jego wyników. Ró�norodno�� obiektów technicznych i realizowanych zada� powoduje ró�norodno�� potrzeb w zakresie metod i �rodków badawczych, w tym tak�e metod i form komputeryzacji. Cało�ciowe opracowanie przedstawionych problemów tworzy podstawy oczekiwanych syste-mów komputerowego wspomagania eksperymentów. Warto zaznaczy�, �e profesjonalne oprogramowanie planowania eksperymentu jest bar-dziej rozwini�te od oprogramowania realizacji i opracowania wyników samego eksperymen-tu, od których oczekuje si�: - wi�kszej odporno�ci na przetwarzanie danych zawieraj�cych grube bł�dy; - zwi�kszonej odporno�ci na niedokładno�ci w specyfikacji modelu; - stosowania nieliniowych algorytmów przetwarzania danych; - przetwarzania on-line zwi�zanego z szybkimi urz�dzeniami wprowadzania i wyprowadzania danych pomiarowych; - poszerzenia mo�liwo�ci i niezawodno�ci algorytmów identyfikacji zjawisk opisywanych równaniami ró�niczkowymi i ró�nicowymi. Wydaje si�, �e mimo znacznego post�pu podstawowe problemy u�ytkowników kompute-rowych systemów eksperymentalnych skupiaj� si� dalej wokół zagadnie� sprz�gania komputera z obiektem oraz z potrzeb� wizualizacji danych wielowymiarowych wraz z mo�liwo�ciami animowanej eksploracji w dowolnie zadanych kierunkach. Post�p w dziedzi-nie technologii cyfrowej oraz w informatyce nie jest jednak w stanie zast�pi� opó�nie� w za-kresie 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 znajduj�cych si� daleko od punktów równowagi i wykazuj�cych zachowania chaotyczne. 3.8 Eksperymenty symulacyjne. Sukcesy techniki eksperymentalnej s� osi�galne dzi�ki post�pom w dziedzinie auto-matyki, elektroniki i informatyki, doskonal�cych metodyk� bada� do�wiadczalnych. Automa-tyzacja prac do�wiadczalnych z wykorzystaniem ogólnych poj�� i metod cybernetyki, teorii informacji, teorii pomiarów, teorii systemów, traktuje eksperyment jako szczególny rodzaj procesu sterowanego o zło�onych wła�ciwo�ciach dynamicznych, który dostarcza badaj�cemu potrzebnej informacji o obiekcie bada�. Przez komputerowe wspomaganie eksperymentów rozumie si� ogół metod i �rodków słu��cych usprawnieniu procesów pobierania informacji o badanym obiekcie i jej przetworze-nia za pomoc� techniki komputerowej. Tak rozumiane stosowanie techniki komputerowej od-ci��a badaj�cego od zbyt �mudnych i czasochłonnych czynno�ci, zwi�ksza dokładno�� po-miarów lub ich liczb� wykonywanych w jednostce czasu, ułatwia operowanie du�ymi zbiora-mi danych, umo�liwia koordynacj� wielu czynno�ci, zapewnia optymalne warunki prowadze-nia eksperymentu, ułatwia prezentacj� wyników bada�, selekcj� i syntez� tych wyników. Mamy tu zatem do czynienia z trzema wzajemnie na siebie oddziałuj�cymi czynnikami: eks-perymentatorem stymuluj�cym przebieg i interpretuj�cym wyniki eksperymentu, badanym obiektem (zjawiskiem, procesem) oraz z tym co mi�dzy nimi po�redniczy - komputerowym systemem wspomagaj�cym (rys.3.13). system ABD P O podsystem KWB Rys.3.13 Powi�zania w systemie bada� do�wiadczalnych: P - eksperymentator (podmiot), O - badany obiekt (przedmiot), ABD - automatyzacja bada� do�wiadczalnych, KWBD - komputerowe wspomaganie bada�. W wi�kszo�ci praktycznych przypadków problematyki badania maszyn wej�cia modelu pełni� rol� zmiennych niezale�nych (rozwijaj�cych si� uszkodze�, rozregulowa�), dla których chcemy poprzez badanie modelu znale�� odpowied� na pytanie jakie b�d� sygnały wyj�ciowe (miary, symptomy) w badanej sytuacji (dla okre�lonego stanu). Tego typu analiz�, stanowi�c� w istocie eksperyment wykonywany na modelu nazywa si� symulacj�. Jest to wi�c w istocie eksperymentowanie z obiektem przy wykorzystaniu modelu, co jest szczegól-nie wa�ne dla nowych mo�liwo�ci analizy zachowania si� obiektu w całym procesie ich ist-nienia, przewidywania zmian stanu, kosztów eksploatacji itd. Symulacja, jako eksperyment z modelem ma posłu�y� do odpowiedzi na okre�lone pytania stawiane przez badacza analizuj�cego obiekt badany - jest to wi�c narz�dzie a nie cel. Sposób formułowania i zakres tych pyta� okre�laj� z reguły wymagania stawiane przed mo-delem i determinuj� przebieg eksperymentu symulacyjnego. Stopie� zło�ono�ci modelu symulacyjnego jest okre�lony przez warunki prowadzenia eksperymentu i informacje dotycz�ce: - wyspecyfikowania sygnałów wej�ciowych oraz wła�ciwo�ci tych sygnałów;

- wyspecyfikowania sygnałów wyj�ciowych oraz okre�lenie zakresu zmian ich warto�ci. Na model, jako odpowiednik systemu rzeczywistego patrze� mo�na na dwa sposoby - jako na przekształtnik sygnałów wej�ciowych w wyj�ciowe, czyni�c to w sposób analogiczny jak ba-dany system lub jako strukturalny odpowiednik systemu. Strukturalna odpowiednio�� mi�dzy systemem a modelem z reguły niezb�dna jest w przypadku stosowania symulacji do celów badawczych - gdy symulacja ma wy�wietli� mechanizmy pewnych zjawisk zachodz�cych w systemie, zjawisk do których badacz nie ma bezpo�redniego dost�pu. Wa�nym aspektem budowy modelu symulacyjnego jest wybór typu modelu, a wi�c sposobu widzenia systemu przez eksperymentatora. Dotyczy to takich problemów, jak dys-kretne lub ci�głe widzenie systemu, sposób interpretacji niepewno�ci, uwzgl�dnianie lub nie-uwzgl�dnianie dynamiki zjawisk. W badaniach symulacyjnych stosowane s� ró�ne kategorie modeli,reprezentuj�ce zbiór elementów (struktur�) i relacji mi�dzy nimi. Podstawowe kategorie modeli symulacyjnych obejmuj�: - modele niezale�ne od czasu, charakteryzuj�ce si� brakiem dynamiki, tzn. brakiem zale�no-�ci aktualnych wyj�� od warto�ci wyj�� poprzednich; jest to wi�c model statyczny,który mo�e by� niestacjonarny o parametrach zale�nych od czasu. Równie� w niektórych przypadkach przy badaniu modelu statycznego nie mo�na pomin�� aspektu czasu, gdy np. model otoczenia generuje przebiegi zmienne w czasie; - modele zale�ne od czasu, w których wyj�cia zale�� od historii wyj�� poprzednich. Czas w modelu mo�e by� zmienn� przyjmuj�c� dowolne warto�ci (model z czasem ci�głym) lub przyjmuj�c� warto�ci ze zbioru liczb całkowitych (model z czasem dyskretnym). Na poziomie mechaniki klasycznej ka�dy system techniczny nale�y traktowa� jako system z czasem ci�głym, co cz�sto prowadzi jednak do zbytniej zło�ono�ci modelu; - wła�ciwo�ci zmiennych stanu charakteryzuj�ce model symulacyjny w aspekcie zmiennych stanu oraz sposobu ich zmian w czasie. Korzystanie z komputera nie jest warunkiem koniecznym przeprowadzania bada� sy-mulacyjnych. W niektórych przypadkach, co prawda rzadko, mo�na wykorzysta� rozwi�zania analityczne modelu. W wi�kszo�ci jednak przypadków, gdy mamy do czynienia z modelami du�ych, zło�onych obiektów technicznych, u�ycie komputera staje si� nieodzowne. Przez mo-del komputerowy przyj�to rozumie� implementacj� modelu formalnego o takich wła�ciwo�-ciach, �e: - model komputerowy stanowi odzwierciedlenie modelu formalnego-pod wzgl�dem elementów składowych, interakcji mi�dzy nimi oraz realizowanej relacji wej�cie-wyj�cie; - umo�liwia dokonywanie eksperymentów z modelem. U�ytkowo�� modeli komputerowych, to przede wszystkim łatwo�� technicznych ma-nipulacji z modelem (wprowadzanie danych, analiza wyników), jak równie� rozs�dny czas oblicze� jednego przebiegu symulacyjnego. Jest to szczególnie wa�ne ze wzgl�du na typowy rodzaj pracy z modelem symulacyjnym-wielokrotne wykonywanie oblicze� dla ró�nych syg-nałów wej�ciowych i parametrów modelu. Badania symulacyjne maj� za zadanie udzielenie odpowiedzi na konkretne pytania do-tycz�ce zachowania si� lub wła�ciwo�ci badanego obiektu. W trakcie projektowania i prowa-dzenia bada� symulacyjnych nale�y uwzgl�dni�: - sposób ich przebiegu, by uzyska� odpowied na formułowane pytania; - minimalizacj� kosztu realizowanych bada�; - mo�liwie du�� wiarygodno�� udzielonych odpowiedzi. Eksperymentowanie z modelem w badaniach symulacyjnych nie ró�ni si� w zasadzie od eksperymentowania z obiektem rzeczywistym, dlatego stosuje si� tu wszystkie znane metody planowania eksperymentu. Łatwo�� prowadzenia bada� symulacyjnych cz�sto

prowadzi do zb�dnego uszczegółowiania programu bada�, co niepotrzebnie nadmiernie rozbudowuje liczb� i jako�� informacji wyj�ciowej, cz�sto zb�dnej i mało przydatnej. Konieczne jest tu prowadzenie analizy wra�liwo�ci modeli symulacyjnych, oceniaj�cej adekwatno��, zło�ono�� czy informatywno�� post�powania z modelem, by ustrzec si� konieczno�ci powtarzania całe-go procesu: budowy modelu, identyfikacji, implementacji i bada� symulacyjnych. Implementacja modelu symulacyjnego, to sporz�dzenie programu komputerowego działaj�cego zgodnie z formaln� specyfik� modelu. J�zyki symulacyjne ułatwiaj�ce proces symulacji modelu winny: - umo�liwia� w łatwy sposób reprezentacj� elementów obiektu wraz z ich atrybutami o dowo-lnej strukturze; - umo�liwia� realizacj� mechanizmu zmiany czasu i obsługi tego mechanizmu (planowanie zdarze� typu rozregulowanie, uszkodzenie); - umo�liwia� �ledzenie i dokumentowanie przebiegu eksperymentu symulacyjnego. Znane s� w zasadzie trzy poziomy j�zyków symulacyjnych. Poziom pierwszy obejmuje pakiet procedur napisanych w j�zyku ogólnego zastosowania - np. GASP-IV, GPSS-F, SIMON. Poziom drugi-to j�zyki stanowi�ce nadbudow� lub rozszerzenie j�zyków ogólnego zastosowania, np. SIMULA, SIMSCRIPT, CSL. Wyposa�one one s� w �rodki umo�liwiaj�ce korzystanie z bogatych struktur danych, mechanizmu aktualizacji czasu itd. Poziom trzeci sta-nowi� j�zyki wysokiego poziomu, niepowi�zane w �aden widoczny sposób z j�zykami ogól-nego zastosowania, np. GPSS, Q-GERT. Umo�liwiaj� one bezpo�rednie i przejrzyste odwzo-rowanie struktury badanego obiektu oraz reguł rz�dz�cych jego działaniem. Eksperymenty symulacyjne w badaniach maszyn umo�liwiaj� prowadzenie analizy i syntezy ju� na etapie projektowania obiektu z zadaniem okre�lenia przebiegu zmian stanu w czasie eksploatacji obiektu. Wynikiem bada� symulacyjnych winny by�: - przebiegi zmian cech stanu obiektu, wyst�puj�cych jawnie w modelu, w czasie jego przewi- dywanej eksploatacji; - rodzaje sygnałów (ich miar, charakterystyk) odwzorowuj�cych zmiany stanu obiektu według przyj�tego modelu; - zakres zmian mierzonych parametrów dla wybranych stanów obiektu; - ocena adekwatno�ci modelu symulacyjnego do obiektu rzeczywistego i wyników bada� eks- ploatacyjnych. Badania symulacyjne w strukturze realizowanych eksperymentów, na etapie budowy procedury badawczej, zostały przedstawione na rys.3.14.

W e M O D E L W y j B L O K O B I E K T U P O M I A R O W Y c e c h y s t a n u sy g n a ły I D E N T Y F I K A C J A M O D E L U W E R Y F I K A C J A S Y M U L A C J A E K S P E R Y M E N - T A L N A P R O C E D U R A B A D A �

Rys.3.14 Miejsce bada� symulacyjnych w tworzeniu procedury badawczej.

Poprawno�� bada� symulacyjnych jest wyra�nie zale�na od do�wiadcze� eksploata-cyjnych, jak i/lub wyników bada� stanowiskowych, realizowanych w bloku pomiarowym. Niezale�nie od uzyskanych rezultatów symulacji zadania badawczego, zawsze niezb�dne jest przynajmniej cz��ciowe zweryfikowanie wyników w warunkach rzeczywistych bada� stanowiskowych lub eksploatacyjnych. Ogromne mo�liwo�ci bada� symulacyjnych pozwalaj� na prowadzenie szeregu poczyna� teoretyczno-do�wiadczalnych w zaciszu laboratoriów, w warunkach odległych od cz�sto niedost�pnych bada� przemysłowych. W zastosowaniach praktycznych wa�na rola przypada badaniom symulacyjnym w za- kresie pozyskiwania relacji przyczynowo-skutkowych i wykorzystania ich w budowie nowoczesnych (tzw. inteligentnych) systemów nadzoru maszyn. Zaawansowane narz�dzia do komputerowej i analogowej symulacji stanów dynamicznych i analizy uszkodze� zaistniałych w rzeczywisto�ci pozwalaj� na tworzenie relacji: stan-objaw. Rol� i miejsce bada� symulacyjnych w strukturze systemu inteligentnego pogl�dowo przedstawia rys.3.15.

In te ligen tn y sy stem b ad a w czy Z esp ó ł S ystem y ek sp erck ie b a d a w czy B a z a B a z a w ied z y I w ied z y II A n a liz a z d a rz e� , B A D A N IA roz w ój u sz k odz e� , W ied z a W ied z a S Y M U L A - ba z a w ied z y. ek sp er ta sym u la cyjn a C Y J N E

Rys.3.15 Badania symulacyjne w strukturze inteligentnych systemów badawczych. Analiza nieliniowa nadzorowanych maszyn stwarza nowe mo�liwo�ci w badaniach symulacyjnych, udost�pniaj�c opis zjawisk w maszynie zupełnie niedost�pny przy nawet najbardziej zło�onym opisie liniowym. Zamodelowanie zjawisk w maszynie przy pomocy wzajemnie sprz��onych, nieliniowych równa� ró�niczkowych w postaci: Μx D x x t x K x x t x P t+ + =( , , ) ) , , ) ( ) (3.4) gdzie: M-globalna macierz bezwładno�ci, D-globalna macierz tłumienia, K-globalna macierz sztywno�ci, P-wektor sił wymuszaj�cych, x-wektor przemieszcze�; jest mo�liwe do przeanalizowania, w aspekcie wyró�nienia relacji diagnostycznych. Algorytm tworzenia relacji jako�ciowych maszyny i rozwoju bazy wiedzy systemu ekspertowego za pomoc� bada� symulacyjnych przedstawia rys.3.16. W E J C I E M O D E L W Y J C I E - w a ru n k i p r a c y k o m p u t e r o w y - z m ia n y : m ,k ,c , - s y m u la c j a m o d e l - s y m p t o m y , u s z k o d z e� s y m u la c y j n y - t r e n d K A T A L O G I R E L A C J I B A Z A W I E D Z Y S Y S T E M U E K S P E R T O W E G O

Rys.3.16 Algorytm budowy katalogów relacji maszyny w oparciu o komputerow� symulacj� jej uszkodze�.

Zgodno�� rezultatów badania symulacyjnego i weryfikacji praktycznej (nawet cz��-ciowej) umo�liwiaj� budow� efektywnej procedury bada� maszyny, coraz cz��ciej wykorzystywanej w konstruowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji maszyn. 3.9 Człowiek w eksperymencie Odpowiedzialno�� człowieka za poprawne działanie najcz��ciej zautomatyzowanych systemów technicznych, mimo wsparcia nowoczesnymi technologiami informatycznymi, wcale si� nie zmniejszyła. Skomputeryzowane systemy badania i sterowania s� najbardziej podatne na bł�dy 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 pó�no na odwrócenie działa�. Istotnym zagro�eniem s� równie� bł�dy w procedurach pracy i niedopatrzenia nadzoru, czyli bł�dy w zarz�dzaniu eksploatacj� systemu technicznego. Z tego powodu poszukuje si� intensywnie metod wykrywania �ródeł bł�dów człowieka i takich rozwi�za� konstrukcyjnych i organizacyjnych, które zredukuj� wpływ bł�dów ludzkich na bezpiecze�stwo systemu. Niedoskonało�ci człowieka w badaniach eksperymentalnych powoduj� podobne skutki, wprowadzaj�c ograniczenia co do poprawno�ci ich rezultatów. Rol� człowieka w badaniach do�wiadczalnych mo�na omówi� w dwóch aspektach : jako twórcy i jako u�ytkownika. Twórca bada� uznaje potrzeb� ich podj�cia a nast�pnie po przeprowadzeniu analizy celowo�ci i mo�liwo�ci podj�cia bada�, precyzuje cele bada�. Z celem badania ł�czy si� opracowanie zada�, których wykonanie ma umo�liwi� realizacj� celów bada�. Po tym nale�y: - dokona� krytycznej analizy stanu zagadnienia w literaturze, - zorganizowa� zespół badawczy, - ustali� zało�enia badawcze i formy pracy zespołu. Tre�ci merytoryczne w pracy zespołu (jak i pojedynczego badacza) obejmuj� : - opracowanie modeli matematycznych i hipotez wyja�niaj�cych stan obiektu, - opracowanie programu bada�, - przeprowadzenie pomiarów, - opracowanie i interpretacja uzyskanych wyników, - ocen� stopnia potwierdzenia hipotez wyja�niaj�cych, - sformułowanie wniosków oraz przedstawienie zalece�, - opracowanie sprawozdania z bada�. Efektywno�� działania i wykorzystania mo�liwo�ci obiektu zale�y od współdziałania ba-daczy z tym obiektem. Krótkie cykle robocze z wieloma rozruchami i zatrzymaniami na tle zmiennych stanów otoczenia, ci�głe zmiany czynno�ci, nat��enie hałasu, toksyczno�� spalin, ograniczona widoczno�� i o�wietlenie miejsca pracy, obserwacja urz�dze� sygnalizacyjnych itp. powoduj� szybkie zm�czenie i wyczerpywanie si� zdolno�ci do prawidłowych zachowa� badaj�cego. Prawidłowe współdziałanie człowieka z obiektem, traktowanym jako system antropo-techniczny, stawia okre�lone wymogi dla jego stanu psychofizycznego, w�ród 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� decyduj�cy wpływ na wyniki prowadzonych eksperymentów, przy czym zagadnienie roli człowieka w systemach antropotechnicznych jest dopiero postrzegane w aspekcie wzajemnego oddziaływania obiektu i człowieka. Współczesne systemy techniczne rozpatruje si� coraz cz��ciej jako zło�one obiekty techniczne typu: obiekt techniczny-operator-�rodowisko i nazywa si� je systemami antro-potechnicznymi. Na stan niezawodno�ciowy takiego systemu maj� wpływ: • trwało�� i niezawodno�� obiektu technicznego, • niezawodno�� pracy operatora, • wpływ otoczenia. Ocena stanu takiego systemu zawiera ka�dorazowo co najmniej dwa elementy (przy zało�eniu �rodowiska = const) : • ocena stanu systemu technicznego, • ocena stanu operatora. Wpływ zmian stanu obiektu na zagro�enie bezpiecze�stwa działania (zagro�enia dla otoczenia, operatora, pogorszenie jako�ci wytworów) to dziedzina zainteresowa� teorii bezpiecze�stwa. Ocena zmian stanu obiektów technicznych, to z kolei dziedzina zainte-resowa� diagnostyki technicznej. Ocen� warunków pracy i stanu operatora zajmuje si� ergonomia i prakseologia, przy czym dla potrzeb systemu antropotechnicznego zagadnieniem głównym jest wyró�nienie i kształtowanie tych cech operatora, które prowadz� do wyeliminowania sytuacji niebez-piecznych i powoduj� wzrost niezawodno�ci systemu antropotechnicznego Zagadnieniem trudnym do rozwi�zania w praktycznych zastosowaniach jest ustalenie zwi�zku, okre�laj�cego wpływ zawodno�ci działania operatora na zmiany stanu technicznego i zagro�enia bezpiecze�stwa obiektu technicznego. Dotychczasowe osi�gni�cia wielu dziedzin nauki pozwalaj� na podj�cie próby ustalenia zwi�zku pomi�dzy zawodno�ci� człowieka a zmian� stanu obiektu technicznego. Z tego wynika konieczno�� kształtowania cech operatora istotnych dla niezawodno�ci 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� wyst�powaniem trzech faz: • fazy percepcji, okre�lanej równie� mianem „wej�cie do układu”. Polega ona na

uzyskiwaniu przez operatora informacji (bezpo�rednia obserwacja procesu produk-cyjnego, odbiór informacji z urz�dze� pomiarowych, kontrolnych i sygnalizacyjnych). Uzyskane za pomoc� receptorów informacje (od wyj�cia na obiekcie technicznym do wej�cia na receptorze) przekazywane s� do centralnego systemu nerwowego,

• fazy pracy układu, w której dokonuje si� transformacja uzyskanych informacji w centralnym systemie nerwowym, przetwarzanie prowadz�ce do podj�cia decyzji. Nale�y tutaj doda�, �e centralny system nerwowy jest układem o wielu wej�ciach zewn�trznych oraz wej�ciach wewn�trznych (pami��, spostrze�enia, odczucia, stresy itp.),

• fazy oddziaływania na urz�dzenia steruj�ce, czyli fazy sterowania - okre�lanej mianem „wyj�cia z układu”.

Funkcjonowanie wszystkich trzech faz układu operator-obiekt techniczny uzale�nione jest od warunków pracy. Oprócz bowiem czynników psychofizjologicznych na prac� układu rzutowa� b�d� warunki organizacyjno-techniczne, takie jak o�wietlenie, czysto�� powietrza, ustawienie obiektu technicznego i operatora itp. Punktem wej�cia do układu mo�e by� proces

spostrzegania, uzale�niony równie� od zm�czenia powodowanego uci��liw� postaw� przy pracy, niewła�ciwym rytmem pracy, nadmiernym hałasem itd.

Bardzo wa�ne, je�li nie decyduj�ce znaczenie dla zapewnienia wymaganej niezawodno�ci układu antropotechnicznego, ma okre�lenie niezawodno�ci jej najbardziej integralnego i najbardziej odpowiedzialnego ogniwa jakim jest operator.

Dlatego poszukiwania wła�ciwych kryteriów niezawodno�ci pracy operatora zakładaj� badania nie tylko aktualnych, lecz równie� potencjalnych cech człowieka, zakładaj� analiz� „rezerw”, którymi rozporz�dza. Nale�y mie� �wiadomo��, �e owe „rezerwy” nie s� wielko�ci� stał�, zmieniaj� si� one w toku �ycia danej jednostki. Trzeba równie� pami�ta�, �e przy badaniu działalno�ci operatora niesłychanie trudno jest ustali� stopie� trwało�ci tej lub innej cechy. Zasadniczymi tego przyczynami s� nast�puj�ce fakty: • na niezawodno�� w znacznym stopniu rzutuje funkcja inteligencji, któr� najogólniej

mo�na okre�li� jako zdolno�� adaptacji zachowania si� operatora w sytuacjach nieoczekiwanych lub nowych (nie zaprogramowanych ),

• zmiana zachowania si� człowieka i jego wewn�trz ustrojowych procesów maj� charakter ci�gły, a poszczególne wyodr�bnione stany maj� granice rozmyte,

• na zdolno�� do pracy człowieka maj� wpływ genetyczne uwarunkowania przystosowawcze oraz poziom wytrenowania, rozumiany jako wyuczenie wiadomo�ci teoretycznych i wy�wiczenie umiej�tno�ci ruchowych ,

• w najbardziej optymalnych warunkach funkcje wewn�trz ustrojowe i zdolno�� do pracy podlegaj� wahaniom zgodnie z prawami biorytmiki ,

• organizm człowieka podatny jest na emocjonalne pobudzenie o�rodkowego układu nerwowego, które w pewnych przedziałach ma efekt usprawniaj�cy, a w innych - utrudniaj�cy wykonywanie pracy ,

• w działalno�ci zespołowej mo�liwo�� wykonania pracy zale�y w du�ym stopniu od jej organizacji i stosunków interpersonalnych ,

• charakter działania człowieka nie jest liniowy, jego odpowied na bodce lub sytuacje jest najcz��ciej nieliniowa tj. nieproporcjonalna do intensywno�ci i jako�ci pobudzenia.

Jednym z najbardziej pogl�dowych modeli opisuj�cych zachowanie si� człowieka podczas sterowania obiektem technicznym jest model Rasmussena, który charakteryzuje si� nast�puj�cymi cechami (rys.3.17): • podaje ogólny schemat zachowania si� operatora w sterowaniu systemami techno-

logicznymi i zrobotyzowanymi,

C E L E

O c e n a s y tu a c ji iz a s o b ó w

O p ra c o w a n ie S tra te g iiO k re� le n ieP ro b le m u

P la n o w a n ieS tra te g ii

S k o ja rze n ie :S ytu a c ja -Z a d a n ie(P rze g l�d R e g u ł)

R o zp o zn a n ieP ro b le m u(S ytu a c ji)

W yb ó r J e d n e jP ro c e d u ry D o

R e a liza c ji

A k tyw a c jaO d b ió r b o d �c ó w

D zia ła n ieM a n ip u la c ja

W IE D Z A

R E G U Ł Y

O D R U C H Y

S yg n a ły(B o d �c e )

C E L - W Y N IK IK o n tro la

Z a u to m a tyzo w a n eW zo ry Z a c h o w a�

(O d ru c h y)

Ak c ja

R ys .3 .1 7 M o d e l R a sm usse na o p isu j�cy za cho w a n ie s i� o p e ra to ra w s te ro w a n iu o b ie k te m te chn icznym

• w sterowaniu procesami wyró�nia działania operatora: formułowanie celu, okre�lenie

docelowego wyniku, dobór �rodków, wykonanie akcji, ocen wyników na poziomie odruchów, reguł i wiedzy, mechanizm waha� efektywno�ci, zmiany zachowa� w wyniku stresu, zm�czenia, treningu oraz adaptacji w �rodowisku pracy,

• umo�liwia klasyfikacj� typowych bł�dów i badanie ich przyczyn, oraz ocen wpływu czyn- ników zewn�trznych na efektywno�� działania w zadaniach o ró�nym stopniu ryzyka, • jest wygodnym narz�dziem do analizy zachowa� operatorskich oraz projektowania komu- nikacji operatora z systemem. W eksploatacji systemów antropotechnicznych nie szuka si� przyczyn bł�dów w psychice człowieka, lecz stara si� zidentyfikowa� i usun�� te okoliczno�ci w warunkach pracy, które sprzyjaj� powstawaniu bł�dów (tablica2). Sposoby podnoszenia niezawodno�ci operatora sprowadzaj� si� zatem do trzech mo�liwych rodzajów działa�: • polepszenia sytuacji pracy,(np. zasugerowanie projektantom systemu sposobu rozwi�zania

wybranej konfiguracji sprz�towej); • oddziaływania na personel (szkolenie, podnoszenie kwalifikacji, współzawodnictwo); wspomaganie operatora w podejmowaniu decyzji i w diagnostyce uszkodze�. Tablica 2. Typowe formy bł�dów operatorskich (wg Rasmussena). Poziom konigi-tywny

Typ działania

Typowe bł�dy Działania

Przykładowe przyczyny bł�dnych działa�

Ryzyko bł�du

Odruchy Sterowanie, odczyty

Bł�dy manipulacyjno -

•słaby refleks, roztargnienie małe (0,0001

- percepcyjne •bł�d w sterowaniu •bł�d w odczycie •przeoczenie sygna-łu

•bł�dna koordynacja czasowo-przestrzenna •wady ergonomiczne przyrz�dów •słaba ostro�� działania poszcze-gólnych zmysłów(wzrok, słuch)

- 0,001)

Reguły Podejmowa- nie decyzji

bł�dy podejmowania decyzji: •bł�dy rozpoznania sytuacji •bł�dy wyboru pro-cedury

•zapominanie reguł działania •bł�d w kolejno�ci działa� •uruchomienie niewła�ciwej pro-cedury działania

�rednie (0,001 - 0,01)

Wiedza Rozwi�zanie problemów

bł�dy rozumowania: •przewidywania •oceny sytuacji •planowania •kojarzenia •diagnozy

•niepełna informacja o sytuacji •bazowanie na domysłach •nieuwzgl�dnienie skutków ubo-cznych •bł�dne wnioskowanie •zakłócenia z zewn�trz

du�e (0,01- 1,0)

Do przewidywania niezawodno�ci działa� operatora wybrano jako główne nast�puj�ce kryteria (istotne z punktu widzenia niezawodno�ci działania systemu antropotechnicznego):

1) czas odpowiedzi (np. czy operator dostatecznie szybko reaguje na dane wej�ciowe lub te� czy czas, w jakim wykonuje przewidziane dla niego zadanie, odpowiada stawianym przez system techniczny wymaganiom),

2) stało�� reakcji (czy stało�� reagowania operatora w kolejno powtarzaj�cych si� pró- bach mie�ci si� w granicach tolerancji), 3) zakres reakcji ( czy reakcje operatora nie przekraczaj� ogranicze� minimum -

maksimum), 4) cz�sto�� reakcji (czy ilo�� reakcji operatora b�dzie wystarczaj�ca), 5) dokładno�� reakcji (czy działanie operatora b�dzie odpowiada� wymaganiom dokładno�ci działania). Wydzielone kryteria oceny niezawodno�ci pracy operatorskiej, jak równie� sposoby jej kształtowania wskazuj� na zło�ono�� problematyki i brak jednolitego systemu opisu i oceny zawodno�ci człowieka w procesach sterowania, badania oraz interakcji w układach antropotechnicznych.

Niezawodno��operatora

Niezawodno��Obiektu

technicznego

Produktywno��

Pracowito�� idługotrwała

wytrzymało��

Dokładno�� iwytrwało��

Szybko��Zr�czno��

Szybko��spostrzeganiadla ka�dego

zmysłu

Odporno�� nadziałalno��otoczenia

Reakcja nanieprzewidzia-

ne bod�ce

Wytrzymało��na stressy

�rodkikontroli

zakłóce�

Odporno�� nazakłócenia

Własno�cidynamiczne

Kwalifikacje

Strukturadziałalno�cioperatora

Przepustowo��przy obróbce

informacji

Przepustowo��wyj�cia

Przepustowo��wej�cia

Cechyfizyczne i

zm�czenie

Pobudzenie izahamowanie

układunerwowego

Cechypsychologicznei charakterolo-

giczne

Reakcja nawybór decyzji

niebezpie -cznej

Cechyindywidualne

Własno�cistatyczne

Rys.3.18 Klasyfikacja czynników subiektywnych wpływaj�cychna niezawodno�� operatora

Wskazane tu zagadnienie zawodno�ci człowieka w systemach antropotechnicznych uzasadnia potrzeb� przeciwdziałania powstawaniu bł�dów i zmniejszania zagro�e�, z tytułu zarówno zawodnej techniki jak i operatora.