CC BY
29
РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.317:620.197:629.5.023
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ СУДОВ И ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ИХ РЕШЕНИЯ
О.А. Белов
Коррозия - одна из главных причин износа судов, снижения их прочности и безопасности эксплуатации. Ликвидация коррозионных разрушений требует значительных затрат. Одним из основных факторов, влияющих на интенсивность протекания коррозионных процессов, является электрическое поле судна. Исследование природы этого явления и механизмов развития коррозионных процессов крайне необходимо для совершенствования защиты от коррозии и повышения эффективности методов контроля за состоянием корпуса судна. В статье рассматриваются задачи и основные методы исследования электрического поля судна и связанных с ним процессов с учетом его влияния на технические, эксплуатационные и мореходные свойства кораблей и судов.
Ключевые слова: техническая эксплуатация, метод исследования, электрическое поле, коррозионный процесс, электрокоррозия, моделирование.
O.A. Belov
CHALLENGES FOR INVESTIGATION OF THE ELECTRIC FIELD OF SHIPS AND VESSELS AND WAYS OF THEIR SOLUTIONS
Corrosion is one of the main reasons for deterioration of ships, reducing their strength and safety of operation. Elimination of corrosive destruction requires significant costs. One of the main factors influencing the intensity of corrosion processes is the electric field of the vessel. Investigation of the nature of this phenomenon and the mechanisms of the development of corrosion processes is extremely necessary to improve corrosion protection and improve the efficiency of methods for monitoring the hull. Taking into account the influence of the electric field on the technical, operational and sea-going properties of ships and vessels, the article examines tasks and basic methods for investigating these phenomena and processes associated with them.
Key words: technical operation, research method, electric field, corrosion process, electrocorrosion, modeling.
DOI: 10.17217/2079-0333-2017-40-12-17
Особенности эксплуатация металлических корпусов кораблей и судов обуславливают возникновение электрического поля, которое оказывает значительное влияние на корпус, оборудование, судовые системы и комплексы. Возрастающие требования к обеспечению надежности и безопасности эксплуатации кораблей и судов инициируют комплексные исследования в области природы этого явления и сопровождающих его процессов. Обеспечение контроля и управления электрическим полем в процессе эксплуатации судна требует проведения комплекса взаимосвязанных инженерно-технических и организационных мероприятий, разработка и внедрение которых немыслима без проведения серьезных исследований [1, 2].
Обобщение и систематизация задач, традиционно решаемых при проведении исследований физических полей кораблей и судов, позволяет в качестве одного из возможных вариантов рассмотреть состав основных задач и методов их решения, представленный в виде структурной схемы на рисунке.
Структурная схема состава задач и методов исследования электрического поля корабля
Предлагаемая схема сформирована на основе задач исследования электрического поля судна и его влияния на состояние корпуса. В настоящее время электрическое поле судна входит в перечень основных физических полей, по которым предусмотрены меры защиты на кораблях и судах всех классов [3].
Кратко рассмотрим цели и структуру решаемых задач при использовании данного подхода.
Моделирование имеет своей целью получение информации об электрическом поле судна и связанных с ним процессах с помощью моделей. Основными задачами моделирования электрического поля судна являются:
- разработка моделей электрических полей и процессов;
- проведение экспериментов с моделями электрических полей и процессов.
Проведение экспериментов с моделями электрических полей и процессов позволяет получить необходимую информацию при минимальных или ограниченных ресурсах (затраты времени, финансов и т. п.).
Цель решения задачи разработки моделей электрических полей и процессов состоит в получении описания, отражающего реальные поля и процессы.
В настоящее время наибольшее распространение получили подходы к описанию полей и процессов, которые базируются на методах математической физики, статистических методах и на теории подобия.
Цель решения задачи проведения экспериментов с моделями электрических полей и процессов состоит в получении необходимой информации о полях и процессах при минимальных или ограниченных ресурсах (затраты времени, финансов и т. п.). В современных научных исследованиях [4, 5] активно используется теория планирования экспериментов, которая содержит эффективные методы, позволяющие повысить качество экспериментов с моделями.
Натурные наблюдения осуществляются посредством организации системы мероприятий по контролю за электрическим полем судна - мониторинга состояния металлического корпуса судна [6] и, как правило, имеют своей целью:
- пополнение знаний об электрическом поле судна, а также физических, химических, биологических и иных процессах, лежащих в основе формирования, распространения электрического поля и реакции металлических корпусов кораблей и судов на его воздействие;
- проверку выдвинутых гипотез и разработанных моделей электрических полей и процессов;
- определение эксплуатационной пригодности устройств измерения параметров электрических полей и процессов, а также устройств контроля и управления электрическим полем судна.
В процессе натурных наблюдений решаются задачи:
- измерения параметров электрического поля судна и связанных с ним процессов;
- предварительная обработка результатов измерения параметров полей и процессов.
Основная цель решения задачи измерения параметров состоит в получении измерительной
информации о параметрах электрических полей и процессов, которая бы отвечала требованиям,
предъявляемым к ней, исходя из целей натурных наблюдений. Данная задача является наиболее распространенной и изученной для стационарного поля судна, и в настоящее время разработаны эффективные методы, методики и средства измерения для ее реализации.
Цель решения задачи предварительной обработки результатов измерения параметров электрических полей и процессов состоит в формировании однородных по своим признакам групп измерений и представление их в форме, удобной для анализа или использования при решении других задач. В качестве подходов к решению данной задачи используются методы статистической обработки данных, методы классификации многомерных наблюдений, методы выбора, отбраковки, сортировки, изменения формы представления рассматриваемой информации.
Оценивание имеет своей целью получение оценок неизвестных величин, характеризующих текущее или прогнозируемое состояние рассматриваемых электрических полей и процессов [7].
В данном направлении предполагается решение задач оценивания параметров электрических полей судов и процессов путем:
- расчета параметров электрических полей и процессов;
- пересчета параметров электрических полей и процессов;
- идентификации электрических полей и процессов.
Цель решения задачи расчета параметров электрических полей и процессов состоит в получении количественной информации о параметрах полей и процессов для известных или предполагаемых начальных и граничных условий, управляющих и возмущающих воздействиях на поля и процессы.
Целью решения задачи пересчета параметров электрических полей и процессов является получение количественной информации о параметрах полей и процессов в условиях, отличных от условий измерения (на различных расстояниях от источников поля или корпуса судна, на различных глубинах и т. п.) при известной измерительной информации, а также всей дополнительной информации, связанной с рассматриваемыми полями и процессами. Результатом решения данной задачи может быть, например, пересчет электрического поля судна.
Целью решения задачи идентификации электрических полей и процессов является получение оценок неизвестных параметров полей и процессов, доставляющих минимум (максимум) некоторым показателям качества идентификации, по известным начальным и граничным условиям, а также наблюдаемым данным: входному воздействию и выходной величине. Результатом решения данной задачи может быть, например, получение оценок неизвестных параметров, знание которых позволяет прогнозировать процесс интенсивности развития коррозии на корпусе судна.
Основными задачами оценивания источников электрического поля судна являются:
- размещение (проектирование) источников ФПК;
- оценивание характеристик источников ФПК;
- идентификация источников ФПК.
Цель решения задачи размещения (проектирования) источников электрического поля состоит в размещении (проектировании) источников с заданными характеристиками, обеспечивающем минимизацию (максимизацию) некоторых критериев качества размещения (проектирования). Результатом решения данной задачи может быть, например, размещение протектирующих элементов для противокоррозийной защиты гребных винтов или элементов корпуса судна.
Цель решения задачи оценивания характеристик источников электрического поля состоит в определении неизвестных пространственно-временных характеристик источников по известной измерительной информации и всей дополнительной информации, связанной с рассматриваемыми источниками поля. В результате решения данной задачи могут быть определены, например, электрический дипольный момент корабля и электрический ток гальванической пары «винт - корпус».
Цель решения задачи идентификации источников электрического поля состоит в определении их структуры и параметров, доставляющих минимум (максимум) некоторым показателям качества идентификации, по наблюдаемым данным: входному воздействию и выходной величине. Результатом решения данной задачи может быть, например, идентификация источников блуждающих токов в местах стоянки судна.
Задачи размещения (проектирования) источников электрического поля и расчета параметров полей и процессов относятся к классу прямых задач и применительно к стационарному электрическому полю судна имеют широкий арсенал аналитических и численных методов их решений, а также разработанные пакеты программ, позволяющие выполнять необходимые расчеты параметров электрического поля для реальных судовых конструкций.
Задачи оценивания характеристик источников электрического поля судна и пересчета его параметров относятся к классу некорректных задач, связанных с обработкой наблюдений. Методы решения этих задач составляют в настоящее время самостоятельный раздел математики [8].
Задачи идентификации источников электрического поля и идентификации протекающих связанных с ним процессов относятся к инверсным задачам, методы решения которых основываются на теории идентификации [9].
Работа со знаниями и данными в любой предметной области (в том числе и в области физических полей) предполагает решение задач:
- сбора и представления данных и знаний;
- обобщения и классификации данных и знаний.
Решение перечисленных задач позволяет классифицировать, согласовывать и обобщать всю доступную информацию об электрическом поле судна и коррозионных процессах на различных этапах проведения исследований и выработке решений относительно электрического поля судна, в том числе в части обеспечения защиты корпуса от электрокоррозии. Для решения задач данного уровня могут быть использованы разработанные для систем искусственного интеллекта методы работы с данными и знаниями [10].
Управление имеет своей целью перевод электрического поля судна из одного состояния в другое. Основными задачами управления являются:
- управление электрическим полем судна и коррозионными процессами;
- управление измерениями электрического поля.
Цель решения задачи управления электрическим полем судна и коррозионными процессами состоит в определении управляющих воздействий, обеспечивающих перевод рассматриваемого электрического поля и коррозионных процессов из одного состояния в другое. В основе задач этого класса лежат методы теории подвижного управления систем с распределенными параметрами [11].
В результате реализации этих методов могут быть получены, например, законы управления электрическим потенциалом, обеспечивающие подавление коррозионных процессов или, например, имитацию специфических электрических полей.
Цель решения задачи управления измерениями электрического поля состоит в определении пространственно-временных характеристик системы измерений, минимизирующих (максимизирующих) некоторые показатели качества измерений. В основе решения этой задачи лежат методы оптимальной и субоптимальной калмановской фильтрации, а также методы теории управления. Результатом решения данной задачи может быть, например, выбор оптимального расстояния от борта судна измерений характеристик электрического поля или оптимальной глубины погружения электродов сравнения.
Принятие решений относительно электрического поля судна предполагает:
- выработку вариантов решений (альтернатив) относительно электрического поля судна;
- выбор наилучшего из вариантов, обеспечивающего требуемые свойства электрического поля судна.
Решение перечисленных задач позволяет обеспечить наибольшую эффективность действия лица, принимающего решения относительно электрического поля судна. Решения, принятые оператором, в итоге должны реализоваться через устройства измерений параметров электрического поля судна и процессов и устройства управления электрическим полем судна. Для решения данных задач используются методы теории принятия решений [12].
Результаты решения каждой из вышеперечисленных задач исследования электрического поля судна могут иметь самостоятельное значение либо могут быть использованы другими задачами в качестве исходной информации [13].
Процесс проведения исследований в области электрических полей судов в современных условиях может быть реализован на основе человеко-машинных процедур, в которых человеку отводится роль лица, формулирующего конкретные задачи исследования, выполняющего анализ результатов их решения и принимающего окончательное решение, а автоматизированная система - роль инструмента, решающего поставленные задачи [14]. В связи с этим весьма важным является создание эффективных системных средств решения рассмотренных задач.
В качестве перспективного системного средства решения задач исследования электрических полей судов может выступать интегрированная компьютерная система анализа электрического
поля, которая функционально ориентирована на проведение исследований электрического поля судна в интересах обеспечения его защиты от коррозионных процессов.
Основные режимы работы интегрированной компьютерной системы анализа электрических полей судов:
информация - работа с информационно-поисковой системой (ИПС) по формированию и пополнению индивидуального банка данных и знаний по вопросам обеспечения защиты от коррозии;
наблюдение - работа с информационно-измерительной системой (ИИС), обеспечивающей автоматизированный сбор, хранение и предварительную обработку результатов изменений параметров электрического поля;
оценивание - работа с пакетом прикладных программ (111111), ориентированным на решение задач оценивания электрического поля судна;
проектирование - работа с системой автоматизированного проектирования (САПР) по поиску новых технических решений относительно устройств измерений параметров и устройств управления электрическим полем;
исследование - работа с системой автоматизации научных исследований (САНИ) по формированию и верификации гипотез относительно существующих закономерностей в области электрических полей;
решение - работа с системой поддержки решений (СПР) по выработке и принятию решений относительно электрических полей;
обучение - работа с системой автоматизированного обучения (САО) по изучению вопросов, связанных с электрическим полем судна и защитой от коррозии.
Выводы
Применение рассмотренных методов и средств решения задач исследования ФПК позволяет:
- получить необходимые знания об электрических полях судов, которые являются основой для решения актуальных проблем и задач в рассматриваемой предметной области - защита кораблей и судов от коррозии;
- повысить эффективность проведения исследований и планирования работ по обеспечению антикоррозионной защиты кораблей и судов, снижению отрицательного влияния электрического поля судна на состояние корпуса, систем, устройств, оборудование, а также окружающую среду и человека.
Литература
1. Белов О.А. Методология анализа и контроля безопасности судна как сложной организационно-технической системы // Вестник КамчатГТУ. - 2015. - № 34. - С. 12-18.
2. Белов О.А. Методология оценки технического состояния электрооборудования при развитии параметрических отказов // Вестник Астрахан. гос. техн. ун-та. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 3. - С. 96-102.
3. Белов О.А., Дороганов А.Б. Проблемы методологии контроля электрохимической защиты стальных корпусов кораблей и судов // Вестник КамчатГТУ. - 2016. - № 37. - С. 10-13.
4. Рябинин И.А., Парфенов Ю.М. Надежность, живучесть и безопасность корабельных электроэнергетических систем. - СПб.: ВМА, 1997. - 430 с.
5. Можаев А. С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности сложных систем. -Л.: ВМА, 1988. - 67 с.
6. Контроль систем протекторной защиты стальных судов и кораблей: моногр. / В.А. Швецов, О.А. Белов, П.А. Белозеров, Д.В. Шунькин. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2016. - 109 с.
7. Белов О.А. Оценка технической готовности системы с учетом влияния человеческого фактора // Вестник КамчатГТУ. - № 30. - С. 11-16.
8. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. // Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1979. -210 с.
9. Эйкхофф П. Современные методы индентификации систем. - М.: Мир, 1983. - 144 с.
10. Белов О.А., Марченко А.А., Труднев С.Ю. Анализ расчетно-аналитических методов прикладных задач технической безопасности // Вестник Астрахан. гос. техн. ун -та. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 4. - С. 7-15.
11. Бутковский А.Г., Пустыльников Л.М. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами. - М.: Наука, 1980. - 186 с.
12. Вилкас В.И, Майминас Е.З. Решения: теория, информация, моделирование. - М.: Радио и связь, 1981. - 95 с.
13. Половко А.М. Надежность, живучесть и безопасность технических систем. - Л.: Знание, 1992. - 240 с.
14. Обоснование возможности исключения внешнего осмотра систем протекторной защиты стальных корпусов судов / В.А. Швецов, О.А. Белов, О.А. Белавина, Д.П. Ястребов // Вестник Ас-тахан. гос. техн. ун-та. Серия: Морская техника и технология. - 2017. - № 1. - С. 29-38.
Информация об авторе Information about the author
Белов Олег Александрович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; кандидат технических наук; заведующий кафедрой электрооборудования и радиооборудования судов; [email protected]
Belov Oleg Aleksandrovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsty; Candidate of Technical Sciences; Head of Electrical and Radio Equipment of Ships Chair; [email protected]
