Современный подход к обеспечению реализации заявленного ресурса транспортных средств и формализация диагностических систем

Введение. Не так уж и давно многократный ремонт автомобильного двигателя с заменой многих его узлов и элементов на протяжении срока эксплуатации транспортного средства (ТС) был нормой жизни. Эти времена безвозвратно проходят. На сегодняшний день пользователь предпочитает технические объекты с минимумом затрат на обслуживание и текущий/капитальный ремонты за весь период эксплуатации до наступления предельного состояния. Но в реальности уровень надежности такого агрегата как двигатель далеко не всегда сравним с долговечностью и безотказностью элементов ходовой части, трансмиссии или кузова.

Основная часть. Для большинства отечественных марок автомобилей долговечность двигателя внутреннего сгорания является одной из основных проблем. Неудовлетворительные условия эксплуатации, повышенные нагрузочные режимы, ускоренные темпы изнашивания отдельных комплектующих, и, как следствие, возникновение отказов различных групп сложности – все это в совокупности значительно снижает ресурс технического объекта и его надежность [3, 4].

Современный уровень развития науки и отдельных отраслей в настоящее время позволяет конкурировать заводам-изготовителям в различных странах мира за потенциального потребителя за счет инновационных предложений, в том числе отказа от устаревших конструктивных решений, технологических процессов в пользу более «продвинутых» решений, обеспечивающих более высокий уровень надежности.

Нередки случаи, когда автомобильные двигатели популярных брендовых марок досрочно выходят из строя, а отечественные образцы наоборот демонстрируют долговечность при эксплуатации. Однозначной причины такого явления нет. На срок службы агрегата оказывает влияние целый комплекс условий, который также подвержен вариации с течением времени [5].

При определенных условиях конструктивные особенности силового агрегата могу являться важным фактором, оказывающим существенное влияние на ресурс. В частности отдельные отклонения в режимах работы систем охлаждения, смазки или питания для ряда двигателей проходят практически без негативных последствий, а для других являются критичными. Фактором, наиболее сильно влияющим на долговечность и надежность технического объекта, является эксплуатация и ее особенности, что проявляется зачастую в существенном изменении заявленного производителем для объекта ресурса.

Проблема обеспечения заявленного ресурса долгое время являлась насущной, поскольку конкретных путей по ее решению не существовало. Но в век быстрого развития информационных технологий многое из того, что раньше казалось невозможным, стало реальным. С развитием программных сред и программного обеспечения появилась возможность постоянного контроля за изменением различных параметров дифферентных систем, в том числе и двигателей ТС. Остается лишь должным образом обработать массив данных, используя современные технологии и проанализировать его.

Сбор, обработка и автоматизированный анализ информации о работе двигателя являются важнейшей составной частью многих методов диагностирования мобильных энергетических средств (МЭС) [8]. Компьютерные системы сбора и математической обработки данных являются сложными аппаратно-программными комплексами, включающими в себя большое количество программных компонентов, которые обеспечивают регистрацию поступающей в центральный процессор информации, ее обработку и системный анализ, а также диагностические и сервисные операции. Базисным подходом к созданию таких комплексных систем достаточно долгое время была реализация константной программной архитектуры с заранее определенной функциональностью, которая обеспечивалась жестко связанными друг с другом программными компонентами. Расширить функциональные свойства таких систем практически невозможно, так как они были рассчитаны на выполнение только заложенных на стадии проектирования функций. Но современные требования, предъявляемые к системам, в значительной мере связаны с возможностями расширения и наращивания их функциональных свойств. Важной проблемой является также универсализация диагностического программного обеспечения. А конкретнее, проблема кодировки информации, ее повторного использования, а также преодоление имеющихся препятствий на пути интеграции разнородных компьютерных систем диагностики [6, 7].

За последние несколько лет достигнут значительный прогресс в области проектирования сложных программных систем, что в корне изменило подход к их разработке и моделированию. Но несовершенство, а иногда отсутствие соответствующих стандартов не позволяет в полной мере воспользоваться преимуществом нового подхода. Успехи процесса стандартизации, в значительной мере, состоят в разработке документации рекомендательного характера, регламентирующих инфраструктуру низшего звена - протоколов обмена, файловую структуру данных, а также концептуальные модели взаимодействия систем. За рамками рассмотрения остается промежуточное программное обеспечение, т.е. конкретный функционально законченный набор программных средств, стабильно действующих в рамках отдельной операционной системы.

Таким образом, для реального обеспечения взаимодействия разнородных программных систем необходима выработка единых универсальных спецификаций программных интерфейсов, протоколов обмена данными, диагностических разъемов, позволяющих нивелировать разнородность МЭС уже на стадии диагностирования.

Как известно, основной задачей технической диагностики выступает определение технического состояния объекта с определенной точностью.

Начальный этап ее фактической реализации заключается в разработке диагностической модели, эффективность которой во многом зависит от степени приспособленности конструкции МЭС к проведению технического диагностирования, а также применяемых методов и средств технической диагностики. Анализ модели дает возможность определить условия работоспособности диагностируемого технического объекта, признаки неисправностей, а также идентифицировать совокупность контролируемых показателей и параметров

Рассмотрим МЭС как многокомпонентный объект диагностирования (рис. 1).

шумы (nJ                             помехи (bk)

Рисунок 1 – Мобильное энергетическое средство как многокомпонентный объект технического диагностирования

Абстрагируясь от внутренней структуры и процессов, происходящих внутри МЭС, определим этот сложный элемент как относительно обособленную структуру, связанную с внешним миром, идентичными объектами, системами или средой посредством внешних связей x , определяемых как входные параметры, y – выходные параметры, n – внешние шумы, b – внутренние помехи, возникающие вследствие износа и поломок транспортного средства. Среди выходных параметров y_out имеют место множество параметров f _Y , характеризующих базовые функции процесса, для реализации которого создавалась машина.

Следующим важным этапом является создание диагностического пространства технического объекта с применением актуальных и информативных методов оценивания характеризующих текущее технического состояние объекта по прямым и косвенным показателям.

При вариации технического состояния величины y также подвергаются изменениям. Причём принимаемые ими значения, а также параметры f _Y зависят от совокупности x n b , куда входят помехи, шумы, а также непосредственно входные параметры. Данная величина является структурным элементом внешних параметров (рис. 2).

Рисунок 2 – Совокупность множеств параметров МЭС

1 – пространство внешних параметров; 2 – пространство внутренних параметров;

3 – диагностическое пространство

Внутренние параметры аналогично значениям выходных величин изменяются исходя из преобразования входных сигналов x , шумов n и помех b . Таким образом, множество внутренних параметров дробится на ряд подмножеств. Диагностическое пространство можно рассматривать как совокупность диагностических параметров, т.е. элементов, содержащих информацию о неисправностях, над которыми установлены наблюдение и контроль.

Таким образом, совокупность диагностических параметров, оценивающих вариативность технического состояния объекта, а также потенциально возможных неисправностей, влекущих к появлению отказов различных групп сложности, оптимизированное под условие максимальной и достаточной информативности, формирует в конкретном техническом объекте диагностический полигон.

Для формирования диагностической модели с целью обоснованного выбора совокупности диагностических показателей D , оптимальной относительно оценки технического состояния МЭС, целесообразно осуществить градацию множества D (рис. 3).

Рисунок 3 – Структурная схема выполнения анализа диагностической модели

Диагностическая модель МЭС содержит в себе множество элементов d – прямых показателей, входящих во множество D и характеризующих состояние МЭС. Они могут выступать в диагностической модели как коэффициенты дифференциальных уравнений, аргументов или других величин непосредственно являющихся частью модели. Исходя из технической сложности МЭС, целесообразно из множества d выбирать относительное множество показателей L для оценки в процессе диагностирования. Если количество показателей L полностью удовлетворяет комплексной оценке МЭС, то это позволяет произвести разработку алгоритма и программы диагностирования.

В противном случае возникает необходимость формирования множества косвенных показателей M . При этом мощность множества M должна быть такой, чтобы полностью компенсировать недооцениваемые показатели L . В дальнейшем требуется провести анализ выбранных показателей на предмет их совокупной достаточности и в случае положительного исхода (рис. 3) произвести определение условий работоспособности и признаков отказов с последующим выбором методологии оценивания множества показателей L и M . В завершении осуществляется построение алгоритмов и программы диагностирования.

Алгоритмы диагностирования, по сути, являются последовательностью действий по оценке выбранных прямых и косвенных диагностических показателей [1, 6] Они позволяют определить последовательность выполнения проверок отдельных элементов МЭС при поиске дефектов диагностических показателей, характеризующих работоспособность объекта в целом или определенного его блока.

Рассмотренный выше алгоритм является своеобразной подготовительной базой для технической реализации систем оперативной диагностики [2].

Характеризуя диагностическую систему как сложную многоуровневую электронно-техническую структуру, также целесообразно предъявление к ней следующих требований:

• 1)    обеспечение контроля за функционированием сложных систем и узлов транспортного средства. Все усложняющаяся конструкция объектов делает возможности самодиагностики весьма важными для обнаружения и устранения отказов;

• 2)    информирование оператора о неисправностях системы с помощью комплектующих предупреждающего типа;

• 3)    хранение точной и достоверной информации и данных об отдельных неисправностях согласно стандартам SAE, ISO и др.;

• 4)    обеспечение доступа к хранимой информации через коммуникационные интерфейсы и протоколы передачи данных;

• 5)    обеспечение стабильности работы и адаптивности к температурным режимам;

• 6)    иметь высокие показатели электромагнитной совместимости и виброустойчивости, позволяющие предотвратить «зависание» системы;

• 7)    иметь приемлемые габариты, позволяющие компактно и функционально встраивать оборудование в МЭС;

• 8)    удобство в обращении посредством применения эргономичных интерфейсов;

• 9)    обеспечивать высокую скорость обработки данных, необходимую для ускоренного обмена ими между компонентами системы;

• 10)    способность расширения:   терминальное оборудование должно

поддерживать расширение системы как альтернативу замены и обновления отдельных частей.

Вывод. Таким образом, построение диагностической системы с использованием перечисленных требований, а также с учетом предложенной структурной схемы, не только закладывает определенный уровень надежности и функциональности конечного продукта, но и способствует наиболее полному и качественному протеканию процесса диагностирования транспортных средств, его отдельных агрегатов и систем в режиме реального времени в процессе непосредственной эксплуатации на протяжении всего «жизненного цикла» технического объекта.