Автоматизация проектирования маршрутных технологий технического обслуживания сельскохозяйственной техники

Forcitation: Nikitchenko S.L., Lipkovich I.E., Miroshnikov A.M., Dolzhikov V.V. Automation of the design of route technologies for the maintenance of agricultural machinery. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2022; 15-2(58): 39–53. (In Russ.)

Введение. В современном сельскохозяйственном производстве используются сложные машины, в процессе эксплуатации которых необходимо проводить периодическое техническое обслуживание (ТО). Регламент ТО машин содержится в эксплуатационной документации, которую формирует завод-изготовитель. Для отечественных тракторов, комбайнов и сельскохозяйственных машин технические регламенты ТО, как правило, поставляются потребителям в твёрдой копии вместе с машиной. Электронные варианты таких документов часто также размещаются на сайтах фирм- производителей. В мировой практике для поддержки этапов жизненного цикла изделий фирменные PLM-системы предусматривают наличие программных продуктов для управления мероприятиями технической эксплуатации машин [1, 2]. За рубежом для этого широко используют CSDB, CRM, EAM, MRO, CMMS и другие типы информационных систем [3, 4]. Также активно развивается применение цифровых двойников для информационной поддержки этапов эксплуатации машин [5].

В отечественном сельхозмашиностроении наблюдается низкий уровень применения программных продуктов для управления жизненным циклом изделий – PLM (Product lifecycle management), которые объединяют методики и средства информационной поддержки изделий на протяжении всех этапов их жизненного цикла. Характерная особенность PLM – обеспечение взаимодействия как средств автоматизации разных производителей, так и различных автоматизированных систем многих предприятий.

В данный момент остро стоит проблема информационной поддержки технологий периодических ТО тракторов и уборочных машин, как наиболее сложных технических объектов [6, 7]. Возникает вопрос – каким должен быть современный документ, регламентирующий порядок выполнения ТО машин? Возможности современных информационных технологий позволяют кардинально изменить структурное представление таких документов, их содержательную часть и методы её визуализации. Необходим принципиально новый подход к формированию технологической документации на ТО сельскохозяйственной техники и к методам автоматизированной разработки документов. Актуальными являются автоматизация процесса разработки технологических документов по ТО машин и наличие соответствующего программного обеспечения для этой деятельности.

Существующая справочно-технологи-ческая документация по ТО в твёрдых или электронных вариантах характеризуется общим существенным недостатком – весь информационный контент конкретной технологии ТО не имеет целостной системы ссылок в одном окне, переход по которым обеспечил бы пользователя полной информацией о содержании и порядке выполнения операций ТО, технических условиях на выполнение работ, необходимом оборудовании, потребных эксплуатационных материалах и их количестве. Такое информационное обеспечение сервисных работ характеризуется большим объёмом трудно воспринимаемой текстовой информации, размещённой на различных страницах источника или в разных источниках, что приводит к большим затратам времени со стороны исполнителей работ на поиск информации. При этом в инструкции по эксплуатации машины не всегда прописаны технические условия на выполнение сервисной операции – давление воздуха при продувке, количество подаваемого смазочного материала в узел трения и т.д. Все это является причиной пропусков отдельных регламентных операций ТО или их некачественного выполнения, а в результате увеличивается поток отказов машин и снижается их межремонтная наработка.

Также следует отметить, что сегодня уже недостаточно простого текстового и графического представления содержания технологии конкретного ТО. Для точного понимания порядка выполнения сервисных работ необходимы более современные методы визуализации, например, виртуальная симуляция с 3D-моделями, а также голосовые пояснения, доступные через систему ссылок. Традиционные варианты визуализации ТД в виде твёрдых копий – это маршрутно-технологический график и операционные карты на выполнение всего перечня работ или отдельных операций ТО [8, 9, 10].

Неотъемлемой частью информационного поля технологии ТО по нашему мнению являются сведения об охране труда исполнителей при выполнении конкретных операций ТО и соответствующие требования по защите окружающей среды (ОС). Авторы [11] указывают, что каждую секунду на производстве получают травму четверо рабочих, при этом до 20% травмирующих факторов относятся к технологии выполнения работ и применяемому инструменту (рисунок 1). Частые случаи травматизма исполнителей сервисных работ требуют позиционирования информации об охране труда в контенте технологического документа. Наличие экологических требований в данном документе вызвано тем, что операции ТО сельскохозяйственной техники часто выполняются в полевых условиях и это вызывает необходимость предотвратить попадание отходов сервисной деятельности в прилегающие экосистемы [12, 13, 14].

Падение, обрушение

■\ предметов, материалов Falling of objects or materials

Воздействия механизмов, разлетающихся на детали предметов Effects of mechanisms flying objects on parts

Падение с высоты Falling from height

Транспортные происшествия Transportaccidents

Другие причины несчастных случаев на производстве

Other causes of accidents at work

Рисунок 1 – Распределение причин производственного травматизма по видам работ и травмирующим факторам

Figure 1 – Distribution of the causes of industrial injuries by type of work and traumatic factors

С другой стороны, сами машины и стационарные сервисные объекты также экологически небезопасны и могут являться источниками загрязнений почв, атмосферы и близлежащих поверхностных водоёмов [15]. На схеме рисунка 2 показаны варианты взаимодействия машин с окружающей средой в периоды эксплуатации и утилизации и факторы загрязнения ОС.

Представленный анализ состояния вопроса показывает, что низкий уровень информационного обеспечения технологий ТО машин приводит к снижению надёжности эксплуатируемой техники, а также создает условия для повышения травматизма персонала и загрязнения окружающей среды. Необходимость совершенствования структуры технологических документов и методов их визуализации требует применения автоматизированных методов разработки документов и наличия специализированного программного обеспечения. В статье предлагается методический подход к созданию автоматизированного рабочего места (АРМ) инженера, занимающегося разработкой технологических документов для процессов ТО сельскохозяйственной техники. В качестве основных документов рассматриваются модернизированный маршрутно-технологичес-кий график вида ТО и операционная карта отдельной операции технического обслуживания. Разработана модель данных информационной системы АРМ инженера-техно-лога, предлагаются оригинальные решения автоматизации поиска и визуализации справочно-технологической информации по ТО машин.

Рисунок 2 – Схема взаимодействия машин с окружающей средой в течение жизненного цикла

Figure 2 – Diagram of the interaction of machines with the environment during the life cycle

Методика исследований. Отечественные стандарты ГОСТ 20793–2009, ГОСТ 27388–87 и ГОСТ 2.601–2006 устанавливают перечень эксплуатационных документов, но не раскрывают требований к системам информационного обеспечения (ИО) процессов ТО и ремонта машин. Также в ГОСТ Р 43.0.5–2009 «Информационное обеспечение техники и операторской деятельности» не содержится чёткой информации о том, какие задачи должна решать система ИО в конкретной отрасли. При разработке АРМ инженера по сервису машин мы предлагаем автоматизировать процесс разработки маршрутно-технологических графиков ТО машин и применять оптимальный вариант их визуализации. При этом программное обеспечение должно осуществлять справочно-технологическую поддержку работ ТО, охраны труда и окружающей среды.

Для визуализации справочно-техно-логической информации о конкретном периодическом ТО машины заданной марки применяли новый методический подход, в основе которого лежит предлагаемый нами ранее «принцип одного электронного окна» [4]. Здесь мы за основу приняли структуру известного документа – маршрутно-технологический график ТО, с помощью которого возможно отразить в одном окне процесс ТО машины. Такое окно помимо общей технологической информации будет ещё содержать единую систему ссылок на дополнительные информационные ресурсы, связанные с данным процессом ТО, т.е. специалисты смогут в этом окне найти ответы на вопросы: Что делать? Где делать? Как делать? Чем делать? Предлагаемая нами структурная модернизация маршрутно-технологического графика ТО заключается в расширении его контента. Наиболее опасные с точки зрения травматизма или загрязнения ОС работы будут иметь дополнительный информационный контент, связанный с вопросами обеспечения охраны труда и экологии. Наиболее сложные с технологической точки зрения операции также будут иметь дополнительный контент в виде операционных карт в традиционном табличном исполнении или в форме виртуальных симуляторов, анимации и 3D-моделей. Предлагаемый принцип позволит сосредоточить кратко всю технологическую информацию с ответами на перечисленные выше вопросы и сведения о безопасности работ.

Автоматизация процессов проектирования предлагаемых маршрутно-технологи-ческих графиков ТО тракторов и комбайнов требует решения нескольких задач:

– создание модели данных для информационной системы, работающей с рассматриваемой предметной областью;

– разработка физической базы данных в выбранной СУБД;

– разработка приложения, которое позволит осуществлять процесс создания технологических документов и их визуализацию;

– заполнение разделов базы данных технологической и нормативно-справочной информацией.

При разработке информационной модели данных использовали метод семантического моделирования с выделением основных сущностей интегрированной предметной области «технологии ТО – охрана труда – охрана окружающей среды». При этом процесс моделирования начинали с разработки концептуальной модели данных, описывающей предметную область, с последующим построением логической и физической моделей.

В рассматриваемой предметной области были выделены следующие основные сущности:

• 1.    Машина – технический объект, имеющий конкретную марку и наработку. Для машин проводятся периодические ТО. К машинам относятся тракторы, комбайны и сельскохозяйственные машины.

• 2.    Вид ТО – вид периодического технического обслуживания, предусмотренный для машины заводом-изготовителем. Характерным атрибутом является наработка машины, поскольку содержание работ в рамках вида ТО для машины одной марки может отличаться при различной величине наработки машины.

• 3.    Операция – регламентная работа, выполняемая для машины в рамках конкретного вида ТО. Любой вид ТО состоит из множества регламентных операций, характеризующихся принадлежностью к обслуживаемой составной части машины, техническими условиями выполнения, применяемым инструментом и оборудованием, потребными эксплуатационными и расходными материалами, квалификацией исполнителей, уровнем

• 4.    Маршрут ТО – упорядоченная последовательность операций, входящих в конкретный вид ТО, характеризующаяся очередностью выполнения операций, квалификацией исполнителей,

• 5.    Маршрутно-технологический график ТО ( МТГ ) – совокупность маршрутов конкретного вида ТО для машины определённой марки.

• 6.    Операционная карта (ОК) – технологический документ, раскрывающий содержание и порядок выполнения конкретной операции ТО.

• 7.    Исполнитель – работник пункта ТО (сервисного центра), выполняющий различные операции ТО.

• 8.    Оборудование и инструмент (ОИ) – совокупность сервисной оснастки, используемой для выполнения операций ТО.

• 9.    Эксплуатационный и расходный материал (ЭРМ) – множество материалов, потребных для качественного выполнения операций ТО машин.

• 10.    Вредный производственный фактор (ВПФ) – фактор, воздействующий на работника, выполняющего данную операцию ТО.

• 11.    Требование безопасности (ТБ) – требования при выполнении операции ТО (характерные атрибуты – необходимые средства индивидуальной защиты (СИЗ), санитарногигиенические требования (СГТ) к рабочему месту, режим работы и др.).

• 12.    Фактор загрязнения окружающей среды (ФЗОС) – факторы, приводящие к загрязнению окружающей среды при выполнении операции ТО.

• 13.    Требование защиты окружающей среды (ТЗОС) – свод правил и требований, предотвращающих загрязнение ОС при выполнении операции ТО.

опасности для персонала, уровнем опасности для окружающей среды.

Для выделенных сущностей был определён набор характерных атрибутов и установлены взаимные связи, необходимые для построения концептуальной модели данных. При построении концептуальной модели использовали условные обозначения, показанные на рисунке 3.

Сущность Content

Атрибут сущности Content attribute

Отношения Relations

Рисунок 3 – Условные обозначения элементов концептуальной модели данных

Figure 3 – Legend of the elements of the conceptual data model

Концептуальная модель данных, полученная в результате исследования предметной области, представлена на рисунке 4 с учётом принятых обозначений. На основании такой концептуальной модели далее будет разработана логическая модель данных в виде ER -диаграммы с последующей разработкой физической модели .

Приложение, осуществляющее процесс создания технологических документов и их визуализацию, прежде всего должно отображать в одном окне структурированный перечень технологической информации в виде МТГ (рисунок 5), а также систему ссылок на дополнительный контент, более подробно раскрывающий суть технологии выполнения отдельных операций ТО, охраны труда и экологии. Таким образом, пользователь будет иметь оперативный доступ ко всей информации о технологическом процессе ТО и сможет быстро найти ответы на перечисленные выше вопросы.

На рисунке 5 показан пример двухмаршрутной технологии ТО с разделением всех работ между двумя исполнителями разной квалификации. Такая технология характерна для тупикового способа организации ТО на постах стационарных пунктов ТО сельхозпредприятий или для полевых условий. Каждая операция ТО на графике показана в виде прямоугольника, разделённого по вертикали на шесть частей, содержащих ответы на вопросы «ЧТО-ГДЕ-КАК-ЧЕМ» и ссылки на сведения по охране труда и экологии. В содержании МТГ должна доминировать графическая информация, поскольку это способствует более оперативному её восприятию. Наименование каждой операции (Что делать) указывается в верхней части в виде условного обозначения.

Во второй части указывается (Где делать) наименование узла, системы, агрегата, для которых проводится операция ТО.

В третьей части прямоугольника (Как делать) содержится краткое описание работ, которое может сопровождаться схемой или рисунком. Там же имеется ссылка на дополнительный документ, в котором можно более подробно изучить технические условия на проведение данной работы. Этот документ может быть как в базе данных информационной системы, так и может находиться на удалённом сервере, например завода-изготовителя или другой организации. Наиболее объективной будет информация именно от завода-изготовителя. Данный документ в перспективе может быть заменён на виртуальный симулятор, который визуализирует порядок выполнения технологической операции.

В четвертом разделе (Чем делать) содержится информация о применяемом оборудовании и инструментах.

Рисунок 4 – Концептуальная модель данных информационной системы

Figure 4 – Conceptual data model of the information system

Рисунок 5 – Схема одного окна с информацией о технологии технического обслуживания (ТО)

Figure 5 – Scheme of one window with information about the maintenance technology (MT)

Пятый и шестой разделы содержат ссылки соответственно на сведения по ОТ и требования защиты окружающей среды. При этом в пятом разделе рекомендуется помещать графические изображения СИЗ, а в шестом – условные обозначения утилизации отработавших элементов, угрозу утечки топливно-смазочных материалов и др.

Представленная на рисунке 4 концептуальная модель данных носит общий характер описания связей между выделенными межпредметными сущностями. Для полноценной работы пользователю понадобится более насыщенный справочный блок базы данных. Это вызвано тем, что технологический документ МТГ изначально имеет привязку к условиям предприятия, которое выполняет технологию ТО [8]. Т.е. пользователь должен иметь возможность использовать готовую базу данных по сервисному оборудованию и инструменту, а также возможность редактирования этой справочной базы – добавлять в неё новый инструмент и оснастку или удалять старый. Исследования по информационному обеспечению технологий ТО выполнены авторами [16–19]. Созданные в рамках этих работ базы знаний по оснащению пунктов ТО сельскохозяйственной техники могут существенно способствовать решению рассматриваемой в данной статье задачи [19].

Также пользователю необходимо иметь возможность формирования справочных данных по эксплуатационным и расходным материалам, необходимым при проведении ТО машин, данных по исполнителям ТО, вредным производственным факторам и требованиям охраны труда, факторам загрязнения окружающей среды и требованиям по её защите.

Мы предлагаем форму справочной таблицы с информацией о вредных производственных факторах, которые характерны для рассматриваемой операции ТО (таблица 1). В таблице для каждого вредного фактора указываются требования безопасности, необходимые СИЗ, санитарно-гигиенические требования, режимы работы и т.д.

В форме справочной таблицы 2 предлагается информация о факторах загрязнения окружающей среды, которые могут возникать при выполнении конкретной технологической операции.

Таблица 1 – Форма справочной таблицы с информацией о вредных производственных факторах (ВПФ) для операции

Table 1 – Form of a reference table with information on harmful production factors (HPF) for the operation

Код операции Operati on code	Код ВПФ HPF code	Код ТБ Safety requirem ent code	Медико-биологиче ские мероприят ия Medico-biological activities	Выдава емыe СИЗ Issued personal protectiv e equipm ent	Требов ания к допуску Admission requirements	Осве-щённост ь, Лк Illuminat ion, lx	Уровень шума, Дб Noiselevel, dB	Темпер атура, °С Temper ature, °С	Режим работы Working conditio ns	Перечен ь докумен тов List of documen ts
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Таблица 2 – Форма справочной таблицы с информацией о факторах загрязнения окружающей среды при выполнении операции ТО

Table 2 – Form of a reference table with information on environmental pollution factors during the maintenance operation

Код операции Operation code	Код ФЗОС Pollutio n factor code	Код ТЗОС Environme ntal requiremen t code	Описание требований защиты ОС Description of environmenta l protection requirements	Используемые приспособления для утилизации Disposal devicesused	Порядок выполнения требований Order of fulfillment of requirements	Перечень нормативны х документов List of regulatory documents
1	2	3	4	5	6	7

Результаты исследований и их обсуждение. Предлагаемая информационная технология поддержки мероприятий ТО эксплуатируемой сельскохозяйственной тех-ники имеет ряд преимуществ по сравнению с бумажным документооборотом. В первую очередь следует отметить интеграцию междисциплинарных знаний в едином информационном поле, что обеспечит качественное выполнение сервисных работ с возможностью снижения рисков травматизма и нагрузки на окружающую среду. Приобретение и использование подобных систем должно являться добровольным для сельскохозяйственных предприятий. Экономия времени исполнителей работ обеспечивается за счёт применения единого информационного окна с системой ссылок.

Инженер, отвечающий на предприятии за технический сервис машин, должен заранее привязать ссылки в конкретном маршрутном графике к нужным Интернет-адресам с документами или заполнить раздел базы данных, который связан со ссылкой. Фирмам не обязательно заниматься разработкой самой информационной системы – это могут сделать сторонние разработчики. Но для реализации такой информационной технологии важно участие фирм-изготовителей машин. Важно, чтобы фирмы размещали на своих серверах технологическую информацию (например в формате PDF) о порядке выполнения отдельных операций ТО и открывали доступ к ней всем потребителям их продукции. Интерес заводов-изготовителей машин к данной информационной системе очевиден. В гарантийный период эксплуатации техники применение подобной системы позволит повысить качество ТО машин, выполняемого силами фирменного сервисного центра. В послегарантийный период значительная часть сервисных работ выполняется владельцами, а значит надёжность машин в этот период зависит от возможностей последних выполнять сервисные работы, т.е. обеспечивать качественные характеристики продукции заводов на этапе её эксплуатации. Приведенный аргумент возможно повысит интерес фирм-изготовителей к данной проблеме.

Целевыми пользователями автоматизированной системы могут являться ИТР фирменных сервисных центров изготовителей машин и дилерских предприятий, а также ИТР ремонтнотехнических предприятий и эксплуатирующих технику организаций – сельскохозяйственных предприятий и машинно-технологических станций (МТС).

Создание и развитие рассматриваемого АРМ мы изначально видим в кросплатформенном варианте Web-приложения, что позволит пользователям по каналам 4G иметь доступ к базе данных из любой точки предприятия, в том числе в полевых условиях.

Экономический эффект от использования предлагаемых решений обусловлен прежде всего снижением простоев машин по причине отказов в период полевых работ, а также приведением расхода ресурсов для ТО к нормативным значениям, повышением качества и оперативности обслуживания техники, соблюдением технических регламентов заводов-изготовителей.

Заключение

• 1.    С применением метода семантического моделирования разработана концептуальная модель данных информационной системы, предназначенной для автоматизированной разработки маршрутно-техно-логических графиков ТО сельскохозяйственной техники. Предметная область концептуальной модели интегрирует информацию о технологиях технического обслуживания, вопросах охраны труда и защиты окружающей среды. Полученную модель рекомендуется использовать для дальнейшей разработки логической и физической моделей данных с последующей реализацией в выбранной СУБД. На основе рассматриваемой концептуальной модели данных и структуры единого информационного окна возможно создание АРМ, реализующего процесс разработки и визуализацию маршрутнотехнологических графиков ТО тракторов, комбайнов и сельскохозяйственных машин. Применение подобного ПО позволит осуществлять информационную поддержку жизненного цикла изделий на этапе эксплуатации.

• 2.    Автоматизация процессов разработки и визуализации маршрутных технологий ТО существенно повысит производительность инженерной деятельности при оформлении

• 3.    Использование в электронном технологическом документе сопутствующих сведений об охране труда при выполнении конкретных операций ТО и сведений по противодействию загрязнению окружающей среды позволит снизить соответствующие производственные риски и сделать сервисное производство менее травматичным и более экологичным. В рамках техносферной безопасности ожидается прежде всего снижение уровня ПДК нефтепродуктов в поверхностных водоёмах, примыкающих к сервисным пунктам предприятий.

• 4.    Полученные результаты рекомендуется использовать сервисным центрам фирм-изготовителей сельскохозяйственной техники для разработки корпоративных Web-приложений, предназначенных для проектирования и управления процессами ТО машин.

технологических документов. Наличие электронных версий данных документов у ИТР эксплуатирующих предприятий будет способствовать соблюдению регламента ТО, что позволит повысить качество ТО сельскохозяйственной техники, снизить на 22–25% количество отказов и увеличить коэффициент технического использования машин в период работ на 5–10%.