СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА
METHOD OF EVALUATING STATE OF CONTROLLED OBJECT

Изобретение относится к способам оценки состояния контролируемого объекта, а именно к проектированию систем диагностики опасных объектов, подвергающихся аварийным воздействиям в процессе эксплуатации.
Несмотря на значительные усилия в области повышения безопасности перевозки опасных объектов (ОО), по-прежнему достаточно высокой остается вероятность аварийных происшествий и прежде всего транспортных происшествий - железнодорожных и автомобильных.
Обеспечение гарантированной безопасности ОО в условиях транспортных происшествий является весьма дорогостоящей задачей и не всегда разрешимой. В настоящее время выполняется большой объем работ в области создания аварийностойких контейнеров, однако их массовое применение при транспортировке по причинам прежде всего экономического характера ограничено.
При этом и транспортирование ОО в защитных контейнерах полностью не исключает вероятности экстремального повышения опасности ОО после нерегламентированных воздействий (НВ), к которым относятся прежде всего термические (пожар) и механические (удар, падение, столкновение) воздействия.
В связи с чем, для минимизации риска при обращении с 00, подвергшимся НВ, весьма актуальной становится задача своевременного и качественного диагностирования его (ОО) состояния с помощью специальных систем контроля.
Такого рода системы, например, мобильные установки для рентгенографирования, переносные интегрированные видеосистемы и др., насколько нам известно, разработаны или разрабатываются как в США, так и в России.
Однако, несмотря на требования высокой мобильности спецформирований, оснащенными указанными выше установками, прибытие их к месту происшествия, как правило, занимает достаточно длительный промежуток времени, что может оказаться усугубляющим фактором повышения опасности ОО.
Вместе с тем, как показывает анализ происшествий, существует достаточно широкий диапазон ситуаций нерегламентированных воздействий, при которых ОО, транспортируемый даже не в аварийностойком контейнере, не претерпевает критических изменений.
А это означает, что возможно дальнейшее транспортирование ОО, подвергшегося нерегламентированным воздействиям, с места происшествия штатными средствами без привлечения аварийных формирований.
Естественно это возможно в случае получения оперативной и достоверной информации о фактическом состоянии ОО после нерегламентированных воздействий.
Решение этой задачи может быть обеспечено встроенной системой экспресс-диагностики (СЭД) состояния ОО.
Решаемой технической задачей является разработка способа оценки состояния контролируемого объекта.
Достигаемым техническим результатом является оперативное и достоверное определение степени опасности ОО подвергшегося аварийным воздействиям, необходимое для оптимального планирования и проведения аварийно-спасательных мероприятий по устранению последствий аварий.
Для достижения технического результата способ оценки состояния контролируемого объекта, характеризующийся тем, что предварительно до воздействия внешних физических факторов в корпусе с расположенным в нем объектом, устанавливают сгруппированные по каждому из возможных воздействующих физических факторов первичные преобразователи порогового типа, которые ранжируют по степени опасности контролируемого объекта, при этом места установки первичных преобразователей и их порог срабатывания определяют заранее с учетом трансформации физического воздействия от места установки первичного преобразователя к характерной зоне контролируемого объекта, после чего осуществляют кодирование контролируемого объекта для последующей его идентификации, организуют информационные каналы связи с первичными преобразователями и канал - свидетель для контроля целостности информационных каналов, после воздействия физических факторов на контролируемый объект определяют целостность информационных каналов, после чего осуществляют идентификацию контролируемого объекта и с каждого первичного преобразователя производят съем зарегистрированной информации, по факту срабатывания/несрабатывания соответствующего первичного преобразователя определяют уровень опасности и вид физического фактора, обусловившего повышение опасности контролируемого объекта.
Учитывая, что процесс изменения степени опасности ОО в условиях нерегламентированных воздействий, как правило, имеет ступенчатый, а не непрерывный характер, предлагается построение датчиковой системы по пороговому принципу, т.е. регистрируется значение (уровень) физического фактора воздействия соответствующее переходу ОО из одного состояния (безопасное) в другое (опасное), что позволяет получать информацию о степени опасности ОО и принимать соответствующим должностным лицам непосредственно на месте происшествия необходимые решения о порядке обращения с ОО после НВ.
При этом предполагается регистрация порогов, соответствующих:
первый - нерегламентированные воздействия превысили уровень сохранения работоспособности ОО, но не достигли опасного уровня;
второй и т.д. - нерегламентированные воздействия превысили критериальные значения на ОО, соответствующие переходу ОО в первое состояние опасности и т.д.
Очевидно, что в условиях НВ возможна реализация ряда ситуаций:
- первая, вторая - когда уровень воздействий не превысил соответственно первого или второго порога. В этом случае ОО неопасен и с ним допускается по сути штатное обращение;
- третья ситуация и далее, когда превышен второй порог и следующие. ОО опасен и дальнейшее обращение производится по соответствующим правилам.
Такого рода объективная информация, дополняющая полученную визуальным контролем, в способе оценки состояния контролируемого объекта может быть обеспечена встроенной в «защитный контейнер - ОО» датчиковой системой экспресс-оценки (СЭО) состояния ОО. Основной особенностью этой системы является формирование ею в короткий промежуток времени и непосредственно на месте происшествия конечного результата, характеризующего факт возможного перехода ОО из одного состояния (безопасного) в другое (опасное). Для этого датчиковая система изначально, при установке в защитный контейнер - ОО, должна быть настроена на регистрацию соответствующих уровней физических факторов НВ, достижение которых характеризует изменение состояния опасности ОО. При этом первичным преобразователям датчиковой системы (для исключения встроенного блока хранения информации) предполагается придание свойства памяти, т.е. запоминания зарегистрированной информации. Необходимым и определяющим условием получения достоверной информации с помощью датчиковой системы порогового типа является методический аппарат определения мест установки первичных преобразователей, назначения пороговых уровней их срабатывания в зависимости от зон их размещения в системе «транспортное средство (ТС) - защитный контейнер (ЗК) - ОО» (ТС-ЗК-ОО), а также наличие количественных и качественных критериев перехода OO в опасное состояние по каждому из физических факторов НВ.
Многообразие конструктивно-компоновочных схем ОО, контейнера, критериев опасности, моделей аварийных ситуаций, то есть всего того, что определяет параметры первичных преобразователей, а собственно и облик СЭО в целом, предопределили необходимость широкого использования компьютерного моделирования реакции системы: "OO-контейнер" при нерегламентированных термомеханических воздействиях. Современные двух- и трех-мерные численные методы математического моделирования, основу которых составляют двух-трехмерные методики расчета динамических задач нестационарного взаимодействия и упруго-пластического деформирования конструкций в переменных Лагранжа, Эйлера; комплекс программ для описания процесса макроконвективного, радиационного и молекулярного теплообмена в многомерных областях, с учетом эффектов рассеивания, фазовых переходов, подвижности внешней границы, меняющейся геометрии объектов, позволяют симитировать разнообразные условия внешних воздействий и определить сколь-угодно детально реакцию элементов системы: "ОО-контейнер" на соответствующее воздействие. Это, в свою очередь, позволяет проследить трансформацию физического параметра, определяющего изменение состояния ОО (температура, перегрузка и т.п.) из практически любой зоны контейнера, ОО до характерного элемента ОО, то есть определить вид передаточной функции от места возможной установки первичного преобразователя СЭО к элементу ОО, для которого заданы соответствующие критериальные требования, определяющие переход ОО в контролируемое состояние опасности.
Таким образом, перенося основную тяжесть проектирования СЭО на методы компьютерного моделирования, по сути "наполняя интеллектом" достаточно простые первичные преобразователи, удается решить задачу создания замкнутой (с точки зрения получения непосредственно на месте происшествия оперативной информации о степени опасности ОО после НВ) системы экспресс-оценки состояния ОО. В условиях аварийных происшествий к каковым относятся и термические воздействия (пожар), может затрудняться процесс идентификации ОО, в связи с чем актуальным становится вопрос обеспечения в любых условиях аварийных воздействий определения необходимой (например, тип ОО, его заводской номер и т.п.) служебной информации. Это обусловливает целесообразность введения в способ оценки состояния контролируемого объекта операций кодирования и идентификации ОО. Конструктивно это реализуется посредством введения в состав СЭО специального устройства - блока кода и идентификации. Используя универсальный физический принцип работы соответствующих первичных преобразователей СЭО, действующий практически для всего диапазона возможных изменений параметров внешних нерегламентированных воздействий, можно создать типоряды первичных преобразователей с различными порогами срабатываний, обеспечивающие решение задачи разработки СЭО для любой системы ОО-ЗК. Естественно, наиболее предпочтительным, с точки зрения упрощения задачи обеспечения строгого соответствия порогов срабатывания первичных преобразователей группам критериев на ОО, характеризующих переход ОО в одно из контролируемых состояний, является вариант размещения встроенных элементов СЭО на элементах ОО.
Однако это не всегда возможно и в этих случаях в качестве наиболее информативных (облегчающих решение нахождения надежных корреляционных зависимостей) могут быть:
- для термодатчиков - элементы крепления ("термические мосты") ОО в контейнере, внешняя поверхность корпуса, днища ОО;
- для датчиков ударного импульса - силовые элементы крепления ОО в контейнере, обладающие наибольшей жесткостью, а также выше упомянутые зоны днища ОО.
Следует отметить, что в этом случае существенно (из-за сложности расчетных моделей реальных конструкций, многомерности и нелинейности решаемых задач) осложняется определение передаточных функций для пересчета критериальных параметров, определяющих состояние ОО после нерегламентированных воздействий к местам установки первичных преобразователей.
Заявленный способ реализуется устройством, представленным на фиг.1.
На фиг.1 представлен базовый состав СЭО, включающий встроенные внутрь защитного контейнера 1 с ОО 2 первичные преобразователи (датчики порогового типа) температуры 4, ударного импульса 6, блок кода и идентификации 5, конструктивно совмещенный с переходными устройствами (соединителями) 3, информационные каналы связи 7, канал-свидетель 10, пульт опроса 8, ПЭВМ 9, интерфейс связи с ПЭВМ 11. Цифрами 12, 13 обозначены места возможной установки первичных преобразователей 4, 6 СЭО.
Пульт опроса 8 предназначен для оперативного получения в световом и звуковом виде информации об изменении состояния опасности ОО 2 после аварийных воздействий, а также для контроля исходных состояний, регистрации, обработки и хранения информации о срабатывании (несрабатывании) каждого из первичных преобразователей 4. 6, вида воздействия и данных, необходимых для идентификации ОО. Полученная информация, при необходимости, может быть передана по интерфейсу 11 на ПЭВМ 9 для последующей обработки. Причем по идентификационному номеру, записанному в блоке кода и идентификации 5. полученная информация приводится в соответствие (по заданным протоколам) номерам, типам конкретных первичных преобразователей, а также восстанавливается необходимая служебная информация собственно об ОО 2.
Размещение блока кода и идентификации (БКИ) 5 внутри объема OO 2 существенно упрощает эксплуатацию СЭО, прежде всего при использовании защитных контейнеров 1 в виде повторно используемых контейнеров. В этом случае информация, занесенная в блоке кода, не требует перекодировки, т.к. в повторно используемый контейнер 1 устанавливается ОО 2 со своим индивидуальным блоком кода.
Блок кода и идентификации 5 должен размещаться в зоне контейнера, легкодоступной для его замены при повторном использовании контейнера для транспортирования другого ОО. Рациональным является вариант конструктивного совмещения БКИ с переходными устройствами (соединителями) 3, размещаемыми на корпусе защитного контейнера 1 и предназначенными для вывода информационных каналов 7 СЭО, а также стыковки с пультом опроса 8 СЭО для съема зарегистрированной информации.
Известно, что эксплуатацию систем контроля и конструкцию их основных элементов существенно осложняет требование проверок наличия исходных состояний первичных преобразователей и их информационных каналов. В последнее время в отечественных и зарубежных системах все шире внедряется беспроверочная (в течение всего срока службы) система первичных преобразователей.
В нашем случае серьезное упрощение аппаратной реализации и эксплуатации способа оценки состояния контролируемого объекта достигается введением в способ операции косвенной оценки целостности (работоспособности) информационных каналов по факту сохранения работоспособности специально организованного канала - свидетеля.
Для обеспечения универсальности (унификации) применения СЭО для любых контролируемых систем ТС-ЗК-ОО информационные каналы изначально маркируют по каждому из видов физических воздействий и порогу срабатывания, обеспечивая тем самым однозначность интерпретации фактов срабатывания первичных преобразователей и состояния опасности контролируемого ОО, а также его идентификации.
Базовая СЭО может дополняться первичными преобразователями иных физических величин (давления, скорости, перемещения и др.).
Алгоритм реализации способа оценки состояния контролируемого объекта выглядит следующим образом.
По результатам предварительного анализа конструктивно-компоновочной схемы и особенностей (с точки зрения изменения опасности при термомеханических воздействиях) контролируемого опасного объекта определяются рациональные места установки первичных преобразователей 4, 6 СЭО, их количество и число порогов, характеризующих изменение степени опасности ОО, нормируемое соответствующими группами критериев по каждому из видов внешних воздействий, (температура, ударный импульс и т.д.). При этом количество первичных преобразователей СЭО, ранжированных по степени опасности ОО для каждого из видов нерегламентированных воздействий, выбирается равным или превышающим число порогов. Конкретные значения порогов срабатывания ПП СЭО, строго коррелированные с критериальными уровнями, характеризующими опасность ОО, определяют, анализируя процесс трансформации соответствующего вида внешнего воздействия от места возможной установки ПП к зоне ОО, к которой приведены указанные выше критериальные требования. В большинстве случаев из-за сильной нелинейности процессов распространения механических возмущений (например, эффектов пластической деформации, разрушения и т.д.) или термических (появление внутренних источников тепловыделения, фазовых превращений и т.п.) аналитический способ определения затруднен и передаточная функция находится посредством анализа результатов компьютерного моделирования соответствующих процессов аварийного нагружения. По результатам этого анализа определяют передаточные функции, позволяющие выбирать требуемые пороги срабатывания ПП, соответствующие контролируемым состояниям опасности ОО.
<mover accent="true"><mi>T</mi><mo>¯</mo></mover>
На фигурах 2 и 3 в графическом виде представлены зависимости хода температур и перегрузок во времени для зон возможной установки ПП температуры, ударного импульса и характерных зон ОО, определяющих изменение степени опасности ОО, полученные в результате расчетов по упомянутым ранее двух-, трех-мерным пакетам прикладных программ. Расчеты проводились для гипотетической системы «опасный объект - защитный контейнер», представленной на фиг.1. На фиг.2 представлены результаты расчетов реакции элементов ОО на пожар МАГАТЭ (действующая на ОО температура, Т=600°С, длительность воздействия, τ=60 мин). Кривая хода температуры в характерной зоне 00 на фиг.2 представлена штрих-пунктиром, кривая хода температуры в зоне 1 возможной установки НИ (см. фиг.1) представлена сплошной линией, кривая хода температуры в зоне 2 возможной установки ПП (см. фиг.1) представлена пунктирной линией, при этом значения температур, соответствующие критериальным уровням выделены черточкой над условным обозначением -
.
На фиг.3 приведены кривые хода перегрузок в характерных зонах для случая осесимметричного падениия ОО на бетонную преграду (например, при выполнении погрузо-разгрузочных работ) с высоты 9 м донной зоной. Кривая хода перегрузок в характерной зоне ОО на фиг.3 представлена шрих-пунктиром, кривая хода перегрузок в зоне 1 возможной установки ПП (см. фиг.1) представлена сплошной линией, кривая хода перегрузок в зоне 2 возможной установки ПП (см. фиг..1) представлена пунктирной линией. Из-за близости кривых на графиках не показаны значения перегрузок в зонах 1 и 2 возможной установки ПП, соответствующие критериальным уровням ОО.
Здесь следует отметить, что для ситуаций, когда процесс трансформации от мест установки ПП к характерной зоне ОО носит линейных характер передаточная функция может быть найдена аналитическим способом. Анализ полученных графических зависимостей показывает:
- как для термических, так и механических нерегламентированных воздействий изменения температуры и перегрузок в зоне 12 возможной установки первичных преобразователей СЭО имеют характер, подобный изменениям аналогичных параметров в характерной зоне 00. Это позволяет сделать вывод о том, что в качестве передаточной функции, описывающей процесс трансформации соответствующего параметра (температуры, перегрузки) от зоны 12 к характерной зоне ОО может быть выбрана функция равная константе;
- характер хода температуры и перегрузки в зоне 13 возможной установки первичных преобразователей СЭО отличается от хода температуры и перегрузки в характерной зоне ОО, то есть не соблюдается его подобие, а передаточная функция в этом случае может носить существенно более сложный вид и не гарантируется однозначная интерпретация полученных с помощью СЭО результатов;
- таким образом можно сделать вывод о целесообразности выбора в качестве рациональной для установки ПП СЭО именно зоны 12;
i
i
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- для определения конкретного значения передаточной функции (как выше уже отмечалось имеющей вид константы) для каждого порогового уровня (i) изменения состояния опасности ОО по каждому из видов воздействия находятся отношения значений, реализующихся в сходственные моменты времени в месте возможной установке ПП, температур (T) или перегрузок (G) к соответствующему критериальному уровню
;
<mrow><msup><mi>N</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msup><mi>P</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><msubsup><mi>G</mi><mi>i</mi><mi>j</mi></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
- учитывая то, что в аварийных ситуациях могут быть реализованы различные виды (j) термомеханических нагружений (для термических - различные виды пожаров; для механических - различные, например, ориентации ОО относительно нагружающей преграды или различные типы преград), определяются указанные выше отношения
,
для каждого из видов НВ - j;
- значения передаточных функций для каждого порогового уровня изменения состояния опасности ОО по каждому из видов НВ определяется как:
<mrow><msup><mi>N</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><mi>min</mi><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>j</mi></munder><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msup><mi>P</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><mi>min</mi><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>j</mi></munder><mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
;
;
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>o</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- окончательные значения порогов срабатывания ПП по каждому из видов НВ
находятся как:
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>N</mi><mi>i</mi></msup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>P</mi><mi>i</mi></msup><mo>⋅</mo><msubsup><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
;
Перед монтажом СЭО в ОО в блок кода и идентификации 5 записывается условный номер (код), по которому в дальнейшем может быть идентифицирован аварийный ОО и получен весь необходимый объем дополнительной информации об ОО. Для получения зарегистрированной ПП 4,6 СЭО информации, от каждого из ПП организуют информационные (термоударостойкие) каналы 7 с выводом их на переходное устройство (соединитель) 3. При этом, в интересах унификации СЭО информационные каналы изначально маркируют по каждому из видов физических воздействий и порогу срабатывания, обеспечивая тем самым однозначность интерпретации фактов срабатывания первичных преобразователей и состояния опасности контролируемого ОО, а также его идентификации.
Для упрощения эксплуатации СЭО (исключения операции контроля наличия исходных состояний в каждом ПП) контроль исходных обеспечивается посредством контроля специально организуемого канала -свидетеля, аналогичного по исполнению информационным каналам и проходящего через каждый из ПП СЭО. Это позволяет по факту сохранения целостности канала-свидетеля судить о работоспособности каждого из ПП.
После монтажа СЭО в ОО с помощью пульта опроса 8 контролируются исходные (несработанные) состояния каждого первичного преобразователя и правильность записанного в блоке кода и идентификации условного номера СЭО. В случае положительного результата на панели пульта опроса загорается световой индикатор "Норма", а на цифровом табло высвечивается условный номер (код), записанный в блоке кода и идентификации.
СЭО подготовлена к работе.
В случае состоявшихся нерегламентированных воздействий, после проведения необходимых работ, в том числе и по организации доступа к переходным устройствам (соединитель), с помощью пульта производится опрос СЭО. При этом вначале контролируется состояние канала-свидетеля. В случае, если сохранена целостность канала-свидетеля, что регистрируется по факту прохождения по нему электрического (оптического) импульса, фиксируются текущие состояния первичных преобразователей и опрашивается блок кода и идентификации.
В зависимости от состояния первичных преобразователей на табло пульта опроса высвечиваются: номер СЭО и соответствующие индикаторы "БЕЗОПАСНО", "ОПАСНО", "ЗАПРЕТ", которые характеризуют безопасность (опасность и ее уровень). Дополнительно получают информацию о виде физического фактора, обусловившего повышение опасности OO. Этой информации достаточно для принятия решения о порядке и последовательности последующих действий с изделием, подвергшимся нерегламентированным воздействиям.
Дополнительная информация, каковой является результат опроса состояния каждого из первичных преобразователей, заносится в память пульта опроса и по запросу выдается на внешние устройства, одновременно выдается также дополнительная информация об ОО.
После отстыковки от опрашиваемой СЭО пульт опроса готов к работе с последующим ОО.
Предлагаемый способ и система его реализующая прошли успешную экспериментальную апробацию.
Подготовлена вся необходимая документация для их серийного производства.