Методологический подход к анализу содержания проблемы определения надёжности морских ледостойких оснований

УДК 721.012:001; 519.718.2; 622.276.04

© В.Г. Цуприк, 2014

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ СОДЕРЖАНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ МОРСКИХ ЛЕДОСТОЙКИХ ОСНОВАНИЙ

Рассмотрены основные принципы методологического подхода к анализу содержания проблемы определения надёжности морских ледостойких оснований. Общая цель — как совокупное представление о некоторой модели будущего результата, рассматривается как выражение потребности сообщества в добыче углеводородных энергоресурсов, а в качестве результата — как меры достижения конкретной цели, рассматривается получение проектной гарантии срока надёжной эксплуатации морской буровой платформы, как уникального объекта, с учётом надежности его проектирования, возведения и эксплуатации. Приведена схема процесса вариантного проектирования сооружения для заданных условий и критериев оценки модели результата проекта.

Ключевые слова: арктический шельф; морской лёд; ледостойкие основания; проектная деятельность; методологический подход, надёжность проектного решения.

ВВЕДЕНИЕ. КАЧЕСТВЕННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ — ОСНОВА НАДЁЖНОСТИ МЛО

В силу уникальности морских ледостойких сооружений (МЛО) и не повторяющихся условий их эксплуатации в условиях арктического шельфа, задача определения надёжности этих сооружений, как было показано предшествующими исследованиями [1,2], всегда рассматривается как основная задача, требующая ответа при проектировании новых технических средств для освоения природных ресурсов шельфов северных морей. При этом в части определения ледовых нагрузок на МЛО сегодня используется стандартная нормативная база для проектирования гидротехнических сооружений — «индустриальным» методом, ледовые нагрузки определяются нормативным документом общего вида [3], чего явно не достаточно для их использования при проектировании для условий открытого моря и дрейфа ледовых полей таких уникальных сооружений как МЛО. А специальных нормативных документов «для общего пользования» сегодня практически нет, хотя име-

ются ряд корпоративных регламентов, но они недоступны, поскольку работы по разработке таких документов по ледовым нагрузкам, обязательно на базе результатов научных исследований, заказываются и оплачиваются крупными концернами и доступны только «для внутреннего пользования». Не решает проблемы и согласованный рядом стран, в том числе и Россией международный стандарт для определения ледовых нагрузок на сооружения шельфов [4], поскольку для получения расчётных параметров ледовой нагрузки, адекватных реальным климатическим и ледовым условиям в конкретной географической точке всегда требуется проведение полевых исследований.

Согласно стандартной международной терминологии [5] «Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определённые сочетания этих свойств». В приложении к морским ледостойким основаниям, как строительным объектам, наиболее важной составляющей надежности нам представляется «долговечность сооружения», что в терминах того же нормативного акта означает: «Свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта».

Самым распространённым мнением является мнение о том, что надёжность строительного объекта является прямой производной качества возведения сооружения. Но о том, что качество и надёжность взаимосвязаны только в определённых условиях напоминают специалисты [6]: «... природа этой связи, вероятно, намного сложнее того, что можно себе представить», а также о том, что «. стремление к созданию высококачественной продукции далеко не всегда автоматически обеспечивает её высокую надёжность», то есть, «достижение высокого качества не тождественно обеспечению надежности». В цитируемой статье приведён перечень мероприятий, критически важных с точки зрения создания такого уровня процессов разработки изделий, которые обеспечивают их высокую надёжность. Первым в этом перечне мероприятий, перечисленных в последовательности, примерно отражающей их значимость и определённый вклад во взаимосвязи между качеством продукции и ее надёжностью, исследователи данного вопроса по-

ставили «проектное обеспечение устойчивости изделий к внешним воздействующим факторам (робастное проектирование).

Методика робастного проектирования (инжиниринг качества), пока ещё не очень широко распространившаяся из Японии заключается в уменьшении разбросов выходных характеристик изделия путём использования таких методов, которые уменьшают чувствительность к источникам разбросов. Этот сравнительно новый метод отличается от традиционного метода изучения влияния большого числа переменных на результат деятельности по однофак-торной схеме, предусматривающего поочерёдный анализ их влияния тем, что здесь переменные группируются в столбцы, образующие так называемую «ортогональную матрицу» и одновременно исследуются несколько факторов. В следующих друг за другом экспериментах инженеры меняют значения нескольких переменных и матрица используется для того, чтобы определить, как нужно менять эти переменные, чтобы влияние каждой из них можно было отделить от влияния других переменных на заключительной стадии исследования [7]. Таким образом, инженеры - проектировщики выявляют критически важные элементы и свойства разрабатываемого изделия, определяющие его качество, которые затем должны быть объединены в устойчиво работающую систему. Концепция робастного проектирования не исключает экспериментальные проверки и позволяет намного эффективнее выбирать значения переменных процесса и производственные допуски, сокращая время и затраты. Когда процесс разработки системы организован должным образом, обеспечивается ее устойчивость к неблагоприятным воздействиям и вариации параметров элементов. В результате качество и надёжность оказываются тесно взаимосвязанными и ничто не способно отрицательно повлиять на процесс разработки изделий. В настоящее время методика робастного проектирования достаточно популярна и используется для типовых производственных процессов, нам пока не известны проекты проектирования и строительства уникальных сооружений, реализованные с использованием робастной технологии проектирования.

Здесь следует заметить, что вариантное проектирование, являющееся традиционным методом выбора сочетания проектных решений в виде оптимального варианта, выбранного из сравнения нескольких по какому-то критерию отбора, в некотором роде

слабо отличается от оптимального варианта изделия разработанного методом робастного проектирования, также предусматривающего назначение критерия, по которому происходит оптимизирование проекта. Таким критерием и в первом и во втором случаях может рассматриваться экономический показатель эффективности проекта. В случае робастного проектирования критерием являются ожидаемые потери — денежные затраты любого потребителя из-за разброса характеристик изделия, использующего этот продукт проектирования в течение его срока службы. В традиционном методе вариантного проектирования критерием выбора может быть экономический эффект по отношению к невы-бранным вариантам проекта, где применяются другие сочетания решений по материалы, расчётным схемам или конструктивным решениям, но при условии соблюдения постоянства расчётного срока службы (долговечности) сооружения, «работающего» при одних и тех же воздействиях внешней среды по всем рассматриваемым вариантам конструктивных решений. МЕТОДОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ - КАК ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Решение задачи качественного проектирования - это и есть цель процесса исследования проблемы и разработки метода проектирования морского ледостойкого основания, адекватного всем условиям его эксплуатации. Именно с учётом сказанного, в приложении к рассматриваемой проблеме следует применить методологический подход, который даёт возможность систематизировать все деятельностные акты проектировщиков, обладающих знаниями и опытом в этой области и оценить возможность и эффективность их применения при проектировании новых морских ледостойких оснований.

Классики методологии характеризовали методологическую работу как таковую, противопоставляя её конкретно-научной и философской по ряду признаков. В частности, Г.П. Щедровицкий [8 ] считал, что м е т о д о л о г и я «это не исследование в «чистом виде», но включает критику, схематизацию, программирование, проблематизацию, конструирование, проектирование, онтологический анализ, нормирование...». То есть, «Методологическая деятельность устанавливает .... отношение к прежней и новой деятельности и содержит минимум исследование, описание

динамики изменения норм, методическую деятельность. Последняя осуществляется либо на основе фиксированных норм, либо предполагает проектирование новых средств, либо включает проектирование деятельности, не имеющей ни нормативных, ни научных оснований».

Таким образом, методологический подход к рассмотрению проблем проектирования сооружений может быть реализован через анализ содержания и организации деятельности проектировщиков, использующих для достижения результата в определённых условиях проектирования комплексы материальных средств и различные методы их использования.

Поэтому объектами исследования в нашей работе выступают основные компоненты понятия деятельность — средства и методы проектирования морских ледостойких оснований;

Предметом научного изучения в содержании таких объектов как средства и методы проектирования будут критерии оценки соответствия результатов проектирования идеализированной модели результата (ИМР), причины несоответствия и поиск моделей результата, наиболее приближённого к ИМР.

Целью исследования будет идеализированная модель результата в виде модели системы проектной деятельности и соответствующих ей критериев оценки результата деятельности.

Методами и средствами достижения цели будут- анализ состава и структуры существующих моделей проектирования морских ледостойких оснований, поиск наиболее существенных полезных моделей или их элементов, отвечающих идеализированной модели результата, перенос их в создаваемую новую модель и затем целенаправленный их синтез. Разбор «старых» моделей, в том числе действующих в виде нормативных документов, будет производится под углами зрения различных научных дисциплин, в основном в рамках механики разрушения, механики трещин, физики материалов, теории упругости и др.

Результатом методологического исследования (методологической деятельности) могут стать, как было сказано выше, модели нового средства строительного проектирования, либо нового метода проектирования с использованием известных и новых средств проектирования.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИМ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ДОСТИЖЕНИЮ ПРОЕКТНОЙ НАДЁЖНОСТИ МЛО

Необходимость добычи углеводородов на шельфах замерзающих морей в настоящее время не является самой первой потребностью, обуславливающей возможность для человечества его дальнейшее существование на планете Земля. Но, в то же время, с учётом геополитических, геологических и технологических особенностей развития регионов, стран и отраслей жизнедеятельности человека, для одних стран эта проблема может потребовать решения в самом ближайшем будущем, для других она должна решаться немедленно. В принципе, учитывая изложенное, решение названной проблемы в ближайшие десятилетия является социально-экономической потребностью для всего человечества. Эта потребность, являясь движущей силой поведения и сознания людей, через понимание необходимости вынуждает их к активной и целенаправленной деятельности по поиску путей удовлетворения этой потребности, т.е. по достижению конкретного результата - гарантированной добычи определённого количества углеводородов к конкретному сроку. Отсюда вытекает логически вполне определённая причинно-следственная цепь осуществления процесса проектирования МЛО (рис. 1).

Показанное построение элементов логической цепи позволяет получить результат (нефть и газ) деятельности (процесс добычи), направленной на достижение цели (удовлетворение потребности), но не позволяет оценить степень удовлетворения этой потребности

ПОТРЕБНОСТЬ

ЦЕЛЬ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ {«исполнительная система»)

РЕЗУЛЬТАТ

Для

обеспечения

нужд

сообщества

нужны нефть

и газ

НЕОБХОДИМО;

а) запроектировать,

б) изготовить, б) установить

технические средства для добычи нефти и газа

Добыча нефти и га» на шельфе

Нефть и газ добыты -потребность удовлетворена

Рис. 1 Первичная цепь причинно-следственных связей процесса определения надёжности МЛО при проектировании

полученным результатом, потому что результат не связан с потребностью, что не даёт возможности произвести оценки характеристик результата с характеристиками потребности (критерием удовлетворённости). Если в этой цепи рассматривать цель как конкретное выражение потребности, а результат как меру достижения конкретной цели (или меру удовлетворения исходной потребности), то эту цепь следует замкнуть, отобразив тем самым возможность и необходимость соотнесения количественных и качественных оценок результата с критерием удовлетворённости потребности по качеству и количеству результата (рис. 2).

Итак, при имеющихся результатах прошлого опыта, ц е л ь -это совокупное представление о некоторой модели будущего результата, способного удовлетворить исходную потребность при имеющихся реальных возможностях.

Как видно из схемы на рис. 2, замкнутый процесс, имеющий: цель деятельности (например, проектирования сооружения и определения степени его надёжности); функциональный блок и обратную связь, даёт возможность корректировки его параметров либо его повторения, «доработки» для получения результата, удовлетворяющего исходную потребность в соответствии с определёнными критериями, возможно основанными на прежнем опыте, возможно - соответствующих запросам общества на перспективу. Здесь следует обратить внимание на то, что цель может рассматриваться как вариант удовлетворения исходной потребности, выбранной из некоторого множества альтернатив, сформированных на основе специального знания.

Рис. 2. Цепь причинно-следственных связей процесса проектной деятельности (определения надёжности МЛО) с учётом оценки её результата

Известно [9], что «Знание - как материально-логическое содержание опыта, конкретизирующего всякий раз его использование» в решении конкретной проблемы является основным инструментом и содержит в себе три основных компонента: средства, методы (способы) использования этих средств и условия, при которых это использование возможно. При этом, опыт в проектной практике есть не что иное, как знания, накопленные в процессе познания и практики не только в памяти проектировщиков, но и во внешних, социальных накопителях опыта: в научно-технической литературе; в нормативных документах; в специальных массивах (банках данных); в имеющихся внешних системах и устройствах или технических средствах, созданных ранее; в опыте других индивидов и сообществ (экспертов, институтов, фирм, государств).

В качестве средств проектирования могут использоваться как конкретные конечные материальные объекты (методики, программное обеспечение), так и некоторые абстракции (модели), отображающие их, через посредство которых может быть получен некоторый результат. Используя конкретные средства в процессе проектирования, безусловно, надо знать как их сопоставить, «чтобы в своём взаимоСОдействии» выбранные средства на определённом этапе проектирования «привели бы к тому феномену, который называется результатом» [9].

Учитывая, что вне результата процесс проектирования теряет всякий смысл, для каждого выбираемого средства существенно знание его возможностей соотноситься, вступать определённым образом во взаимодействие с другими средствами. Только при таком знании имеет смысл выбора однозначно определённых средств проектирования для достижения конкретного результата. Эта известная для проектировщиков определённая возможность выбираемых средств соотносится друг с другом для получения необходимого результата, называется методом (способом) использования средств. Из приведённых рассуждений следует, что методы проектирования, являясь сводом правил и норм пользования средствами, не существуют сами по себе, как некоторый самостоятельный блок знаний, памяти: они всегда «привязаны» к конкретным средствам проектирования и их сочетаниям.

Что касается условий, при которых возможно применение для достижения результата известных средств и методов их использования, то под ними понимаются «правила» влияния окружающей среды на процесс «протекания и развития» целенаправленной деятельности, т.е. в нашем случае — на процесс проектирования МЛО.

Исходя из изложенного выше, можно утверждать, что модель результата зависит от выбранных средств, выбор средств зависит от возможности воспользоваться ими, то есть от определённой методической готовности, точнее — от адекватности используемого метода. В свою очередь и выбор средств и методическая готовность зависят от предполагаемых условий реализации процесса проектирования. Вариант модели результата, следовательно, может быть выбран в рамках компромиссного взаимоположения этих средств, методов и условий. Первый компромисс есть разрешение «проблемы выбора» — выбора между желанием удовлетворить потребность наилучшим образом и между имеющимися возможностями: наличием средств и методов, удовлетворяющих условиям проектирования. Поэтому выбор происходит на основе известных из опыта или разработанных специально для данного проектируемого результата оценочных критериев.

Второй компромисс составляет существо проблемы использования возможностей. Это компромисс между предполагаемыми к использованию средствами в их определённом взаимоотношении и условиями, в которых предположительно может быть реализована выбранная модель результата (далее - модель).

Условия проектирования сооружений, особенно таких как МЛО, практически всегда играют роль различных ограничений, например: по стоимости строительства; по нормируемому сроку службы сооружения; по уровню вибраций; по предельным значениям воспринимаемых нагрузок; по экологическим требованиям и т.д. и т.п. В то же время, многие условия, учитываемые в процессе проектирования модели, накладывают ряд ограничений при формировании качественных и количественных показателей критериев оценки будущего результата проектирования.

Каждый вариант достижения цели, таким образом, может быть реализован по своему сценарию — по своей модели получения решения проблемы, «модели результата» (рис. 3).

Рис. 3. Схема процесса вариантного проектирования сооружения для заданных условий и критериев оценки модели результата проекта

В связи с этим, можно утверждать, что при определённом наборе средств проектирования и известных методах их использования в конкретных условиях проектирования существует возможность не достижения цели, и, следовательно, не удовлетворения исходной потребности. Значит, появляется необходимость разработки новых средств проектирования или новых методов применения известных средств для конкретных условий задачи. Ответ о том, что цель достигнута, либо о том, что она в данной постановке задачи при имеющихся средствах, методах и

условиях её достижение не реальна может быть получен только после сравнения полученной модели результата с идеализированной моделью результата.

Таким образом, если рассматривать компоненты цели (модель результата, средства, методы условия, оценки), то можно увидеть, что среди них материальной реальностью, используя которую проектировщик действительно может достичь результата, являются средства. «Разместив» все средства определённым образом относительно друг друга в пространстве и времени, «лишив» их всех излишних степеней свободы, то есть, поставив в определённые и конкретные отношения (т.е., использовав известный ему метод) при выполнении всех условий и ограничений, проектировщик создаёт некоторую совокупность материальных образований, следствием функционирования («взаимоСОдействия») которой должен явиться некоторый результат. Очевидно, что такая функционирующая совокупность материальных средств называется системой.

Далее, в принципе рассмотрев все основные аспекты понятий «знание» и «опыт» по отношению к процессу проектирования и к проектировщикам, обладающим арсеналом средств проектирования и методов использования этих средств в конкретных условиях реализации проекта по удовлетворению социально-экономической потребности общества, далее необходимо переходить к более подробному рассмотрению всего процесса проектирования уникального сооружения, каковым является морское ледостойкое основание, применив в исследовании этого процесса системный подход.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гудместад О.Т., Лосет С. Об учёте оценки риска при проектировании и эксплуатации судов и шельфовых сооружений в ледовых условиях. http://flot.com/editions/nh/6-3.htm

2. Цуприк В.Г. Методологические аспекты обоснования рисков при определении надёжности сложных технических систем типа морских ледо-стойких оснований (МЛО). Электронное периодическое издание — «Вестник Дальневосточного государственного технического университета». 2011 год, № 1 (6). С. 20.

3. СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Свод правил, актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*.

4. ISO/FDIS 19906:2010(E) Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures. Final draft International standard.

5. Надёжность в технике. Межгосударственный стандарт: Расчёт надежности. Основные понятия. Термины и определения ГОСТ 27.002-89. Группа Т00.

6. Джеймс Мак Линн. Превращение качества в надёжность или почему надёжность не становится качеством с течением времени. Журнал «Деловое совершенство». http://www.management.com.ua/qm/qm097.html.

7. Горбуль Е.В. Методика робастного проектирования типовых производственных процессов. Липецкий государственный технический университет. Липецк, Россия. http://www.scienceforum.ru/2013/pdf/3183.pdf.

8. Анисимов О.С. Методология: функция, сущность, становление (динамика и связь времён). - М.: «ЛМА», 1996. - 380 с.

9. Карташов В.А. Система систем. Очерки общей теории и методологии. - М.: «Прогресс-Академия», 1995. — 325 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Цуприк Владимир Григорьевич — кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Инженерной школы Дальневосточного федерального университета, vg_tsuprik@mail.ru.

UDC 721.012:001; 519.718.2; 622.276.04

THE METHODOLOGICAL APPROACH TO THE ANALYSIS OF THE PROBLEM OF DETERMINING THE RELIABILITY OF MARINE ICE-RESISTANT PLATFORMS

Tsupryk V.G., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Assistant Director of the school of Engineering, far Eastern Federal University, vg tsuprik@mail.ru? Russia.

The basics of the methodological approach to the analysis of the problem of determining the reliability of marine ice-resistant structures are considered. The common goal of both the cumulative picture of some model of the future outcome, is seen as the expression of the needs of the community in the extraction of hydrocarbon energy resources, and as a result — as measures the achievement of a concrete goal for the project is considered to guaranty a reliable operation of the offshore drilling platform, as a unique object, taking into account the reliability of its design, construction and operation. In paper provided A diagram of variant design of structure for specified conditions and criteria for evaluating of model the results of the project.

Key words: Arctic Shelf; Ice resistant structures; project activities; methodological approach to the designing of reliability

REFERENCES

1. Gudmestad O.T., Loset S. Ob uchjote ocenki riska pri proektirovanii i jekspluatacii su-dov i shel'fovyh sooruzhenij v ledovyh uslovijah (On the basis of risk assessment in the design and operation of ships and offshore structures in ice conditions). http://flot.com/editions/nh/6-3.htm.

2. Cuprik V.G. Metodologicheskie aspekty obosnovanija riskov pri opredelenii nad-jozhnosti slozhnyh tehnicheskih sistem tipa morskih ledostojkih osnovanij (MLO) (Methodological aspects of the justification of risks in determining the reliability of complex technical systems type offshore ice-resistant bases (MLE)). Jelektronnoe periodicheskoe izdanie — «Vestnik Dal'nevostochnogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta». 2011, No 1 (6). p. 20.

3. SP 38.13330.2012. Nagruzki i vozdejstvija na gidrotehnicheskie sooruzhenija (vol-novye, ledovye i ot sudov). Svod pravil, aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.06.04-82*.

4. ISO/FDIS 19906:2010(E) Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures. Final draft International standard.

5. Nadjozhnost' v tehnike (Reliability in engineering). Mezhgosudarstvennyj standart: Raschjot nadezhnosti. Osnovnye ponjatija. Terminy i opredelenija GOST 27.002-89. Gruppa T00.

6. Dzhejms Mak Linn. Prevrashhenie kachestva v nadjozhnost' ili pochemu nadjozhnost' ne stanovitsja kachestvom s techeniem vremeni (The transformation of quality or reliability why reliability is not getting quality over time). Zhurnal «Delovoe sovershenstvo». http://www.management.com.ua/qm/qm097.html.

7. Gorbul' E.V. Metodika robastnogo proektirovanija tipovyh proizvodstvennyh processov (The method of robust design model production processes). Lipeckij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet. Lipeck, Rossija. http://www.scienceforum.ru/2013/pdf/3183.pdf.

8. Anisimov O.S. Metodologija: funkcija, sushhnost', stanovlenie (dinamika i svjaz' vrem-jon) (Methodology: the function of the essence, the formation dynamics and the connection times)). Moscow: «LMA», 1996. 380 p.

9. Kartashov V.A. Sistema sistem. Ocherki obshhej teorii i metodologii (System of systems. Essays on General theory and methodology). Moscow: «Progress-Akademija», 1995. 325 p.