…jeśli będziesz krzyczał, wielu cię usłyszy;
jeśli będziesz pisał, wielu cię zrozumie…
III. UTRZYMANIE ZDATNOŚCI ZADANIOWEJ MASZYN
Coraz większy stopień automatyzacji procesów produkcyjnych i usługowych oraz postęp techniczny i technologiczny przy jednocześnie ciągłym wzroście wymagań dotyczących bezpieczeństwa użytkowania maszyn technologicznych i wytworów oraz dążenie do obniżania kosztów produkcji powoduje zwiększenie znaczenia podsystemów utrzymania ruchu (realizujących procesy obsługiwania maszyn: obsługi bieżące, konserwacyjne, profilaktyczne, naprawy awaryjne i inne) w strukturze przedsiębiorstwa.
Zarówno przestoje urządzeń technologicznych spowodowane uszkodzeniami awaryjnymi ich elementów jak i planowanymi obsługami konserwacyjnymi i odtwarzającymi potencjał użytkowy (naprawy) w sposób bezpośredni wpływają na efektywność przedsiębiorstwa mierzoną wynikami ekonomicznymi.
Coraz częściej w systemach eksploatacji maszyn (w przedsiębiorstwach) wprowadzane są komputerowe systemy wspomagające służby utrzymania ruchu. Jedną z podstawowych funkcji komputerowych programów wspomagających służby utrzymania ruchu jest rejestracja danych dotyczących uszkodzeń maszyn. Po wdrożeniu tego typu systemów w sposób automatyczny można generować okresowe raporty zawierające różnego rodzaju wskaźniki dotyczące uszkodzeń, w tym także wskaźniki definiowane przez użytkowników oprogramowania.
Oczekiwania decydentów przedsiębiorstw oraz użytkowników komputerowych systemów wspomagających służby utrzymania ruchu mogą być zróżnicowane i zależą zarówno od specyfiki działalności przedsiębiorstwa jak i często od konfliktu celów działania pomiędzy jednostkami organizacyjnymi przedsiębiorstwa oraz pracownikami bezpośrednio realizującymi zadania podsystemu utrzymania ruchu a kadrą zarządzającą. Tym samym utrudniony jest proces doboru najlepiej dostosowanego pakietu do specyfiki przedsiębiorstwa i jego potrzeb. Również budując narzędzia wspomagające dobór pakietu oprogramowania należy brać pod uwagę różne warunki działania oraz specyfiki działania przedsiębiorstw.
Zestawienie w jednolitej i spójnej postaci informacji o dostępnych na polskim rynku tego typu pakietach oraz dokonanie oceny wielokryterialnej umożliwią decydentom przedsiębiorstw wstępną analizę istniejących rozwiązań i ułatwią proces wyboru oprogramowania dostosowanego do potrzeb przedsiębiorstwa.
Wspomaganie decydenta w procesie podejmowania decyzji dotyczących sterowania złożonymi systemami eksploatacji i realizowanymi w nich procesami może polegać na prognozowaniu zachowania się systemu eksploatacji oraz ocenie wpływu wybranych wariantów decyzyjnych na przebieg procesu eksploatacji [25].
Na ogół można wyróżnić istotne dla efektywności i bezpieczeństwa realizacji procesu roboczego stany eksploatacyjne maszyn (obiektów technicznych OT) oraz stany związane z wystąpieniem zagrożeń bezpieczeństwa. Przykładami stanów eksploatacyjnych są np.:
użytkowanie, obsługiwanie korekcyjne, obsługiwanie profilaktyczne, obsługiwanie prognostyczne, oczekiwanie na realizację zadań, zagrożenie, itp. Przykładami stanów związanych z wystąpieniem zagrożeń bezpieczeństwa są np.: przekroczenie dopuszczalnej wartości temperatury, wyciek czynnika niebezpiecznego, itp.
Maszyny (obiekty techniczne) w procesie eksploatacji znajdują się w wielu różnych stanach eksploatacyjnych tworzących przestrzeń stanów S. Naturalnym modelem procesu eksploatacji maszyny jest proces losowy o skończonej przestrzeni stanów S i zbiorze parametrów R+ [69].
W dalszych rozważaniach założono, że można wyróżnić istotne, z punktu widzenia celu badań, stany eksploatacyjne obiektu technicznego. W określonej chwili czasu t obiekt może znajdować się tylko w jednym z analizowanych stanów eksploatacyjnych. Przyjęto, że modelem procesu eksploatacji maszyny jest proces stochastyczny opisujący zmiany jego stanów eksploatacyjnych. Liczności przestrzeni wyróżnionych stanów zależą, miedzy innymi od celów prowadzonych rozważań i analiz.
Stosując techniki symulacji komputerowej i modele procesów eksploatacji wykorzystujących procesy stochastyczne o dyskretnej i skończonej przestrzeni stanów można prowadzić analizy zachowania się systemu eksploatacji po zmianie wartości parametrów wejściowych modelu. Zmiana wartości parametrów wejściowych modelu może symulować oddziaływanie różnych czynników na zachowanie się systemu i charakterystyki procesu eksploatacji maszyny (czasy trwania stanów eksploatacyjnych, prawdopodobieństwa zmian stanów, liczby wejść do stanów, itp.).
W celu ilustracji rozważań w dalszej części opracowania scharakteryzowano także wybrane programy dedykowane do wspomagania działań podejmowanych w poszczególnych fazach cyklu życia produktu oraz przedstawiono wybrane wyniki zrealizowanych badań. Przy wyborze programów kierowano się między innymi zakresem ich zastosowania, tj. aby obejmowały różną skalę działalności przedsiębiorstwa (złożone organizacje, małe, średnie i mikro przedsiębiorstwa).
W analizach dotyczących technik wirtualnych i różnego typu narzędzi informatycznych wspomagających projektowanie eksploatacji maszyn, ogólnie rozumianą eksploatację maszyn oraz zarządzanie produktem wykorzystano wyniki badań własnych, materiały producentów i dystrybutorów oprogramowania oraz wyniki badań ankietowych dotyczące analizowanych programów zrealizowane wśród pracowników różnych szczebli stosujących dany pakiet oprogramowania. Należy zwrócić uwagę na subiektywizm ocen użytkowników oprogramowania, który w sposób naturalny związany jest z realizacją tego typu badań ankietowych.
3.1. ZWIĄZEK NIEZAWODNOŚCI Z BEZPIECZEŃSTWEM
Stany maszyn w zależności od celów analizy są w różny sposób definiowane i klasyfikowane. W sensie niezawodnościowym, w klasycznej teorii niezawodności, wyróżnia się stan zdatności i niezdatności. W zagadnieniach dotyczących identyfikacji, modelowania, oceny i analizy efektywności realizowanego procesu eksploatacji wyróżnia się stany eksploatacyjne maszyn. Na ogół stany niezawodnościowe i eksploatacyjne związane są z tzw.
stanem technicznym maszyny.
Stan maszyny w określonej chwili czasu może być opisany za pomocą zbioru wartości jej istotnych cech w analizowanej chwili czasu. Oddziaływanie czynników wymuszających, związanych zarówno z realizowanym procesem roboczym jak i odziaływaniem otoczenia, na maszynę powoduje zmiany wartości jej cech. W wyniku użytkowania maszyny i zachodzenia procesów zużycia jej elementów następuje degradacja cech użytkowych maszyny.
Proces zmian zachodzący w warstwach wierzchnich elementów maszyn prowadzący do niekorzystnych zmian wartości ich cech konstrukcyjnych nazywany jest zużyciem. Proces ten spowodowany jest oddziaływaniem na powierzchnię jednego elementu, elementów z nim współpracujących oraz otoczenia. Wynikiem zużycia elementów maszyn może być zmiana masy, struktury, stanu naprężeń oraz innych własności i właściwości obszarów styku warstwy wierzchniej tych elementów [76].
Stan techniczny maszyny związany jest z pojęciem tzw. potencjału użytkowego definiowanego jako miarę potencjalnej zdolności maszyny do uzyskania określonego efektu
(miary realizacji zadań) w przedziale czasu t (lub innej wielkości fizycznej, zwanej wielkością bazową).
Potencjał użytkowy zależy od cech urządzenia, warunków użytkowania i pobudzeń sterujących. Można zatem przyjąć, że potencjał użytkowy jest zdolnością obiektu technicznego do działania z określoną efektywnością [76].
Degradacja stanu technicznego maszyn powoduje obniżanie się, tzw. potencjału użytkowego. Szybkość utraty potencjału użytkowego zależy od rodzajów i poziomów oddziaływań wymuszeń działających na maszynę [76].
Maszyna, której destrukcja stanu doprowadziła do znacznego obniżenia jej założonej wydajności lub innych cech użytkowych, tj. nastąpiła zmiana wartości istotnych cech maszyny (jej elementów) poza zakres wartości granicznych może być nieefektywna w dalszym procesie eksploatacji.
Zmiana wartości cech maszyny (elementów) może nastąpić w sposób skokowy w wyniku jej uszkodzenia tzw. katastroficznego będącego destrukcyjnym zdarzeniem losowym.
Destrukcja stanu technicznego maszyny prowadząca do jej uszkodzenia i braku możliwości realizacji przez nią zadań dla jakich została zaprojektowana, a następnie wytworzona związana jest z pojęciem niezawodności.
Niezawodność jako cecha systemu technicznego (maszyny) jest to jego zdolność do realizacji zadań w określonym przedziale czasu i przy ustalonych poziomach oddziaływań czynników wymuszających. Niezawodność systemu technicznego w sensie normatywnym można określić jako prawdopodobieństwo realizowania zadania przez system w określonym przedziale czasu i przy ustalonych poziomach oddziaływania czynników wymuszających (prawdopodobieństwo znajdowania się systemu w określonej chwili czasu t w stanie zdatności) [25].
Rozpatrując aspekty niezawodności systemów socjotechnicznych typu człowiek- maszyna najczęściej przyjmuje się iż główne podsystemy sprzężone są strukturą szeregową – rys. 3.1.
CzCzłłowiekowiek
RC(t) RM(t)
Maszyna Maszyna CzCzłłowiekowiek
R C(t) RM(t)
Maszyna Maszyna
Rys.3.1. Szeregowo struktura systemu człowiek maszyna
Problem zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa działania systemów występuje w wielu gałęziach gospodarki narodowej.
W obszarze analizy zagadnień związanych z niezawodnością, bezpieczeństwem i ryzykiem wykorzystuje się wiele dyscyplin wiedzy, takich jak: teoria i inżynieria systemów, automatyka, teoria i inżynieria niezawodności, diagnostyka, probabilistyka, statystyka, ergonomia, socjologia itd. W literaturze przedmiotu dotyczącej ogólnie rozumianego bezpieczeństwa wykorzystuje się wiele różnych pojęć z wyżej wymienionych dziedzin. Stąd istotnym zagadnieniem przy podejmowaniu problematyki bezpieczeństwa jest formalny opis stosowanych pojęć.
Teoria bezpieczeństwa zajmuje się opisem i analizą zdarzeń, w tym tzw. zdarzeń niepożądanych. Pewnym podzbiorem tych zdarzeń są zdarzenia zagrażające zdrowiu ludzi, istnieniu obiektów technicznych i środowisku naturalnemu. Przyjmuje się [14], że ta dziedzina nauki opisuje także zasady analizy systemów z punktu widzenia bezpieczeństwa.
Nauka o bezpieczeństwie, nazywana również inżynierią bezpieczeństwa, jest nauką o metodach zapobiegania stratom, w których na podstawie wyników badań modeli systemów socjotechnicznych (C–OT–O): człowiek C – obiekt techniczny OT– otoczenie O, można weryfikować decyzje dotyczące sterowania poziomem bezpieczeństwa systemu [23].
Samo pojęcie bezpieczeństwa rozumiane i interpretowane jest w różny sposób.
Bezpieczeństwo systemów technicznych definiowane jest między innymi jako ich cecha określająca zdolność systemu do: funkcjonowania nie powodującego wysokich strat [61], odporności na powstawanie sytuacji niebezpiecznych [65], pozostawania w stanie ryzyka nie większego od wartości krytycznej [47], realizacji zadania w określonych warunkach i określonym czasie, bez zaistnienia skutków społecznie nieakceptowanych [51], przeciwdziałania zagrożeniom [54], zapobiegania przekraczaniu dopuszczalnego poziomu ryzyka oraz powstawania uszkodzeń powodujących niezdatności krytyczne (stwarzające zagrożenia dla ludzi i pociągające za sobą znaczne straty materialne lub inne niedopuszczalne skutki) [64], ochrony wewnętrznych wartości przed zewnętrznymi zagrożeniami [8] lub jako cecha systemu, która odzwierciedla:
► poziom ryzyka jaki system stwarza w swoim cyklu życia we właściwym mu systemie człowiek – obiekt techniczny – otoczenie nie przewyższający wartości akceptowalnych,
► poziom akceptowalnego ryzyka związanego z funkcjonowaniem systemu i jego odziaływaniem na obiekt techniczny, człowieka i otoczenie [6,11].
Część autorów odróżnia pojęcie bezpieczeństwa od bezpieczności. W takim ujęciu bezpieczeństwo definiuje się jako stan systemu w którym nie występują zagrożenia, przyjmując, że zagrożenie to zdarzenie powodujące obniżenie poziomu bezpieczeństwa systemu (rys.3.2). Natomiast bezpieczność definiuje się jako cechę systemu umożliwiającą spełnianie kryteriów bezpieczeństwa [4, 56].
niezawodno niezawodnośćść
STRATY STRATY STRATY STRATY LUDZKIE LUDZKIE
bezpiecze
bezpieczeńństwostwo zagrozagrożżenieenie
ryzyko ryzyko
ZDARZENIA ZDARZENIA NIEPO
NIEPO ŻĄ ŻĄ DANE DANE
niezawodno niezawodnośćść
STRATY STRATY STRATY STRATY LUDZKIE LUDZKIE
bezpiecze
bezpieczeńństwostwo zagrozagrożżenieenie
ryzyko ryzyko
ZDARZENIA ZDARZENIA NIEPO
NIEPO ŻĄ ŻĄ DANE DANE
Rys. 3.2. Relacje pomiędzy podstawowymi pojęciami dotyczącymi niezawodności i bezpieczeństwa (na podstawie [62])
Spójny system pojęć dotyczących bezpieczeństwa w odniesieniu do człowieka będącego w określonej relacji z maszyną (operator, człowiek znajdujący się w otoczeniu) i otoczeniem przedstawiono w pracy [62]. Ryzyko jest definiowane jako możliwość pojawienia się strat w wyniku zdarzeń niepożądanych, które mogą powstać w rozpatrywanym systemie C-T-O (człowiek-technika-otoczenie) w określonym przedziale czasu. Straty - to negatywny
skutek zdarzeń niepożądanych. Zdarzenie niepożądane jest to zdarzenie, którego zajście w rozpatrywanym systemie C-T-O wywołuje w efekcie zagrożenie dla chronionych dóbr.
Zagrożenie definiowane jest jako warunkowa możliwość powstania strat, pojawiająca się w wyniku pojedynczego zdarzenia niepożądanego w określonym systemie C-T-O. Ze względu na trudność w formalnym opisie pojęcia bezpieczeństwa, można je zdefiniować jako pojęcie przeciwne do pojęcia ryzyka [62].
Relacje pomiędzy podstawowymi pojęciami dotyczącymi niezawodności i bezpieczeństwa przedstawiono na rys. 3.3.
Rys. 3.3. Relacja pomiędzy zdarzeniami powodującymi obniżenie poziomu niezawodności i bezpieczeństwa
Jeżeli przez U oznaczy się zbiór zdarzeń dotyczących maszyn wpływających na ich niezawodność to pewien podzbiór U1 tych zdarzeń związany jest z bezpieczeństwem funkcjonowania maszyn.
Związek miar ryzyka z miarami niezawodności i zagrożenia można przedstawić zależnością:
Miara ryzyka = Miara zawodności ∙ Miara zagrożenia
Proces analizy i poprawy niezawodności oraz bezpieczeństwa związanego z eksploatacją maszyn w złożonych systemach eksploatacji (przedsiębiorstwach) jest skomplikowanym działaniem wymagającym koordynacji działań różnych grup zawodowych.
Poprawa stanu bezpieczeństwa wymaga działań systemowych i skoordynowanych Systemy eksploatacji maszyn są przykładem systemów socjotechnicznych w których zagrożenia mogą być stwarzane przez: człowieka (umiejscowionego w systemie - operatora, ludzi znajdujących się w otoczeniu systemu), obiekt techniczny, oraz przez oddziaływanie otoczenia na obiekt techniczny i ludzi znajdujących w strukturze systemu.
Przyczyny powstawania zagrożeń stwarzanych przez operatora:
► indywidualne cechy operatora,
► niski stopień wyszkolenia operatora,
► brak motywacji,
► niewłaściwa organizacja miejsca pracy,
► stan zdrowia operatora,
► brak reakcji na potencjalne zagrożenie,
► inne.
Przyczyny powstawania zagrożeń wynikających z oddziaływania otoczenia:
► czynniki atmosferyczne,
► czynniki sejsmiczne,
► czynniki geologiczne,
► czynniki biologiczne,
► inne.
Możliwe zagrożenia wynikające z działania maszyny:
► skażenie ziemi;
► zanieczyszczenie wód;
► zanieczyszczenie atmosfery;
► dewastacja roślinności i niszczenie zwierząt,
► hałas i drgania,
► zagrożenie zdrowia i życia człowieka,
► inne.
Jednym z czynników mających wpływ na poprawę ogólnie rozumianego bezpieczeństwa związanego z eksploatacją maszyn i zmniejszenie zagrożenia środowiska naturalnego jest zapewnienie im stanu zdatności technicznej.
Podstawowym źródłem informacji, pozwalającym na uzyskanie obiektywnych wyników ilościowej analizy uszkodzeń maszyn, są dane statystyczne uzyskane w trakcie przeprowadzonych badań eksploatacyjnych.
Podstawowymi informacjami wykorzystywanymi w analizach niezawodności i bezpieczeństwa są częstości uszkodzeń (zdarzeń niepożądanych) eksploatowanych maszyn, chwile wystąpienia uszkodzeń oraz skutki które wywołują. W zależności od wymaganego przez decydentów poszczególnych szczebli zarządzania przedsiębiorstwem (osoby zarządzające procesami eksploatacji maszyn) poziomu agregacji wskaźników dotyczących realizowanego procesu roboczego należy dokonać dekompozycji eksploatowanych maszyn i urządzeń.
Najczęściej częstość uszkodzeń maszyn (układów, elementów) odnosi się do jakiejś miary zrealizowanych przez maszynę zadań. Miarami zrealizowanych zadań w zależności od rodzaju obiektu technicznego i specyfiki realizowanego procesu roboczego mogą być: czas pracy, długość przebytej drogi, liczba cykli pracy, liczba wykonanych operacji roboczych, itp.
Wówczas względny wskaźnik częstości uszkodzeń Wi dla obiektu oznaczonego kodem i może mieć postać:
i i
k u
i l
1000
W L
(3.1)
gdzie:
ui
L – liczba uszkodzeń obiektu oznaczonego kodem i w analizowanym przedziale czasu,
ki
l – określona miara zrealizowanych w analizowanym przedziale czasu zadań (np. dla środków transportu długość drogi przebytej przez pojazd w kilometrach) przez obiekt oznaczony kodem i,
I – kod obiektu.
Bezpośrednią przyczyną zagrożenia zdrowia i życia człowieka w systemach C-OT-O (człowiek C – obiekt techniczny OT– otoczenie O) jest uszkodzenie obiektu technicznego.
Ze względu na zróżnicowany wpływ rodzaju uszkodzonego układu (podsystemu, elementu) obiektu technicznego na powstawanie zagrożeń i ich poziomy w systemie C-OT-O powstaje konieczność dokonania oceny istotności poszczególnych układów obiektu ze
względu na bezpieczeństwo. Dokonanie takiej analizy może stanowić podstawę do podejmowania działań zmierzających do zwiększenia poziomu bezpieczeństwa w systemie C- OT-O, w którym obiekt jest eksploatowany.
W wyniku przeprowadzonych badań (najczęściej ankietowych) i/lub analizy systemu technicznego (budowa, sposób działania, wymuszenia operatora i otoczenia, oddziaływanie na operatora i otoczenie) i tzw. ocen eksperckich można dokonać hierarchizacji jego podsystemów według oceny stopnia zagrożenia jakie stwarzają ich uszkodzenia dla systemu technicznego, człowieka i otoczenia. W ten sposób wyznacza się najistotniejsze podsystemy obiektu technicznego ze względu na zagrożenia bezpieczeństwa systemu C-OT-OT, w którym analizowany obiekt techniczny jest eksploatowany.
Do oceny istotności podsystemów obiektu technicznego w aspekcie wpływu ich uszkodzeń na zagrożenie bezpieczeństwa funkcjonowania tego obiektu można zastosować różne skale ocen. W tablicy 1 przedstawiono przykład konstrukcji skali ocen do analizy wpływu uszkodzenia podsystemu obiektu technicznego (systemu technicznego) na zagrożenie bezpieczeństwa systemu C-OT-O.
Tablica 1. Skala ocen wpływu uszkodzenia podsystemu obiektu technicznego (systemu technicznego) na zagrożenie bezpieczeństwa systemu C-OT-O
Skala ocen Wpływ uszkodzenia analizowanego podsystemu na zagrożenie bezpieczeństwa związanego z funkcjonowaniem badanego systemu technicznego (obiektu technicznego)
12 uszkodzenie podsystemu nie powoduje zagrożenia bezpieczeństwa 35 uszkodzenie podsystemu raczej nie powoduje zagrożenia bezpieczeństwa 68 uszkodzenie podsystemu raczej powoduje zagrożenie bezpieczeństwa 910 uszkodzenie podsystemu powoduje zagrożenie bezpieczeństwa
3.2. WSKAŹNIKI OCENY PROCESU EKSPLOATACJI
W niniejszym rozdziale przedstawiono wybraną metodę oceny i analizy efektywności oraz bezpieczeństwa realizacji procesu roboczego w przedsiębiorstwie. Zastosowany systemowy sposób opisu metody umożliwia jej wykorzystanie w różnego typu przedsiębiorstwach i jej dostosowanie do specyfiki realizowanego procesu roboczego.
Liczność analizowanych zbiorów wskaźników zależy od wymaganego przez decydentów przedsiębiorstwa poziomu agregacji wskaźników i założonego poziomu szczegółowości dokonywanych analiz oraz możliwości pozyskania danych niezbędne do wyznaczenia wartości zaproponowanych wskaźników oceny.
Analizy efektywności eksploatacji mogą mieć zarówno charakter retrospektywny, dla danych pozyskanych za dany okres sprawozdawczy metodami tradycyjnymi, jak i prospektywny z wykorzystaniem technik wirtualnych (np. komputerowa symulacja przebiegu zmian analizowanych stanów maszyn dla różnych wariantów decyzyjnych). W opracowaniu zaproponowano i przedstawiono także ekonomiczne wskaźniki oceny procesu i systemu eksploatacji w aspekcie efektywności, niezawodności i bezpieczeństwa
Wiele z opublikowanych dotychczas prac, odnosi się do problematyki sterowania i oceny złożonych systemów eksploatacji. Jednak wydaje się, iż ciągle brakuje opracowań poświęconych kompleksowej ocenie procesu eksploatacji realizowanego w ogólnie
rozumianym systemie eksploatacji obiektów technicznych w aspekcie efektywności, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych maszyn.
Według autora pracy [17] aby polepszyć efektywność eksploatowania należy we właściwy sposób zaprojektować, zorganizować i wykorzystywać system sterowania eksploatacją. Racjonalna ocena procesów realizowanych w systemach eksploatacji ma duże znaczenie w aspekcie optymalizacji eksploatacji obiektów technicznych [53] w tym również w obszarze zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska użytkowanych maszyn.
Efektywność systemu
W pracach [49, 50, 60] efektywność systemów działania definiowana jest jako cecha systemowa, która wyraża racjonalne zdolności systemów do zaspokajania określonych potrzeb (osiągania zamierzonych celów, tzn. funkcjonowania zgodnie z przeznaczeniem i wymaganiami). W sensie retrospektywnym efektywność zrealizowaną w danym przedziale czasu można zdefiniować jako cechę systemową charakteryzującą stopień wykorzystania zdolności systemu w procesie realizacji określonych celów i w określonych warunkach oraz oceniać za pomocą zbioru wskaźników oceny.
W sensie ekonomicznym przez efektywność rozumie się określoną relację między uzyskanymi wynikami (zysk finansowy) i poniesionymi nakładami (koszt) potrzebnymi do osiągnięcia tych wyników. Ogólny sposób budowy wskaźników oceny efektywności przedstawia zależność [13]:
Q E =
j i
C C
C
A A
A C
A
...
...
2 1
2
1 (3.2)
gdzie: A = A1 + A2 + ... + Ai – to efekty działania np. zysk, wydajność,
C = C1 + C2 + ... + Cj – to nakłady na działanie (koszt użytkowania obiektu, koszt odnowy, itp.).
Ocena systemu
Według autorów pracy [49] ocenę można zatem zdefiniować jako stwierdzenie wartościujące podmiotu oceniającego, wyrażające najogólniej aprobatę lub dezaprobatę dla stanu systemu ocenianego, w sensie przyjętych kryteriów na podstawie ustalonych wartości.
Wynika stąd, że oceny spełniać powinny następujące postulaty [50]:
► standaryzacji ocen, podania kryterium oceny (określonego systemu wartości),
► powtarzalności wyników dla danego systemu lub danych typów systemów,
► jednolitości ocen (skali ocen).
Kryteria oceny systemu
W literaturze przedmiotu [28, 49, 50 , 73] autorzy zaproponowali następujące kryteria oceny systemu:
Kryteria operacyjne – związane z organizacją i przebiegiem procesów eksploatacji oraz wyrażające fakt osiągania zamierzonych celów lub realizacji określonych potrzeb.
Kryteria ekonomiczne – związane z wielkością (wartością) efektów dodatnich (korzyści) i ujemnych (nakładów) oraz wyrażających, najogólniej, korzystność działalności inwestycyjno – finansowej w systemie. Jako kryterium ekonomiczne przyjęto ekonomiczność lub efektywność ekonomiczną, co zdefiniowano jako cechę wyrażającą relację między wielkością (wartością) korzyści a nakładów poniesionych na ich uzyskanie w określonym działaniu [28]. Ekonomiczność jest cechą każdego działania pozwalającą stopniować korzystność działań, a także wyrażać istotną, zwłaszcza w warunkach ograniczonych środków (potencjału), cechę działań, a mianowicie oszczędność. Oszczędność nie musi dotyczyć tylko środków finansowych, lecz każdego z czynników potencjału systemu [50].
Kryteria informacyjne – są związane z organizacją systemu i przebiegiem procesów informacyjnych oraz wyrażające, najogólniej, wpływ systemu sterowania na działanie. Jako kryterium informacyjne systemu przyjęto tzw. informacyjność – jest to cecha systemu, która wyraża stopień uporządkowania systemu wynikająca z oddziaływań sterowniczych w systemie [50].
Kryteria eksploatacyjne – związane są z funkcjonowaniem elementów i środków działania systemu oraz wyrażające ich wpływ na zdolność systemu do funkcjonowania w stanie zdatnym w określonym czasie [51].
Kryteria techniczne – związane ze zdatnością elementów systemu, a w szczególności środków technicznych i wyrażające, najogólniej, wpływ techniki na ich działanie. Kryteriami technicznymi nazywać będziemy cechy systemowe charakteryzujące system ze względu na zdatność jego elementów i struktur.
Kryteria bezpieczeństwa – związane z ryzykiem powstawania strat (ludzkich – utrata życia lub uszczerbek na zdrowiu, ekologicznych, materialnych), które na ogół wiążą stany niezdatności elementów systemu z możliwością wystąpienia w ich wyniku strat oraz wielkością ewentualnych strat.
Ocena procesu eksploatacji
Ocena procesu eksploatacji obiektów technicznych stanowi podstawę do opracowywania lepszych rozwiązań w zakresie planowania i realizacji procesów użytkowania i obsługiwania, umożliwiających osiągnięcie przez system wymaganego poziomu niezawodności i bezpieczeństwa działania oraz efektywności ekonomicznej.
Analizując stosowane metody oceny procesów eksploatacji, można stwierdzić, że większość z nich można zaklasyfikować do dwóch podstawowych grup metod, tj.: analizy stanów systemu w określonych chwilach lub w określonym przedziale czasu, a w tym prognozowanie przyszłych stanów oraz tzw. metod bezpośredniego pomiaru [50].
Istotę grupy metod bezpośredniego pomiaru wyraża sposób konstruowania wskaźników oceny. Autorzy prac: [50, 67, 73] wyróżniają dwa typy postaci wskaźników oceny, a mianowicie addytywne i multiplikatywne. Najczęściej wykorzystywane są uśrednione wartości poszczególnych cech, które sprowadza się do wspólnego wymiaru i skali. Metody bezpośredniego pomiaru wyników działania systemu charakteryzują m.in. [50]:
► liczebność kryteriów, która świadczy o wszechstronności oceny,
► udział kryteriów mierzalnych, co świadczy o obiektywności oceny,
► stopień równomierności (lub dysproporcji) między analizowanymi cechami,
► rozpiętość stanów wyróżników kryterialnych.
O ile podczas tworzenia ocen retrospektywnych zasadnicze znaczenie mogą mieć metody bezpośredniego pomiaru efektów końcowych, wyrażające deterministyczne ujęcie funkcjonowania systemu, o tyle w procesie tworzenia ocen prospektywnych znaczenie także może mieć ujęcie probabilistyczne (stochastyczne).
Metody analizy stanów wykorzystują w sposób bezpośredni lub pośredni (nie podany bezpośrednio i nie opisany w sposób formalny) określony model systemu lub modelu procesu eksploatacji realizowanego w systemie. Model taki zwykle zawiera skończoną przestrzeń fazową stanów systemu (procesu) określoną w wyniku analizy przestrzeni stanów. Liczność oraz rodzaj analizowanych stanów uzależnione są głównie od celów stosowanej oceny. W ocenach prospektywnych, a w szczególności w analizach dotyczących zagrożeń bezpieczeństwa, dużego znaczenia nabierają techniki wirtualne, w tym symulacje komputerowe przebiegu procesów eksploatacji oraz zmian stanów maszyn i ich elementów.
Według autora pracy [53] stanem eksploatacyjnym obiektu nazywamy stan określony zbiorem wartości charakterystyk technicznych lub ekonomicznych, ustalonych dla obiektu w danej chwili lub w określonym przedziale czasu. Stan eksploatacyjny określany jest także [1]
jako zbiór warunków w jakich może znaleźć się obiekt, mających wpływ na wartości (zmiany wartości) jego analizowanych cech (np. opisujących niezawodność, bezpieczeństwo, itp.).
W każdym z analizowanych stanów procesu eksploatacji, w różnym stopniu realizowane są cele systemu eksploatacji. Zatem ocena procesu i systemu eksploatacji w aspekcie efektywności, niezawodności i bezpieczeństwa pozwoli wnioskować zarówno o działaniu systemu eksploatacji jako całości, jak i o działaniu jego podsystemów. Wydaje się więc za celowe opracowanie metody oceny procesu eksploatacji, która pozwoli wnioskować o rzeczywistym jego stanie w aspekcie wskaźników techniczno-ekonomicznych. Informacje na temat przebiegu poszczególnych procesów, ułatwią podejmowanie właściwych decyzji zmierzających do poprawy efektywności i bezpieczeństwa działania systemu eksploatacji (przedsiębiorstwa).
Każda decyzja dotycząca sterowania procesem eksploatacji realizowanym w złożonym systemie eksploatacji powinna być poprzedzona analizą informacji dotyczących m. innymi:
► przebiegu procesu eksploatacji,
► efektywności tego procesu,
► występowania zagrożeń,
► efektywności działania systemu eksploatacji,
► efektywności działania wyróżnionych podsystemów systemu eksploatacji.
W każdym z wyróżnionych stanów procesu eksploatacji, w różnym stopniu realizowane są cele systemu eksploatacji przez jego poszczególne podsystemy. W związku z tym niezbędna jest analiza informacji dotyczących przebiegu wyróżnionych podprocesów procesu eksploatacji.
Zbiór wyróżnionych istotnych stanów eksploatacyjnych obiektów technicznych można podzielić na dwa rozłączne podzbiory. Pierwszy podzbiór wyznaczają te stany eksploatacyjne w których obiekt techniczny znajduje się w stanie zdatności zadaniowej. Do podzbioru tego należą między innymi następujące stany [71, 74, 75]:
stan czynnego użytkowania obiektu technicznego,
stan oczekiwania obiektu technicznego na podjęcie realizacji zadania,
stan oczekiwania obiektu technicznego ze względu na niezdatność otoczenia,
stan przestoju organizacyjnego obiektu technicznego.
Drugi podzbiór wyznaczają te stany eksploatacyjne w których obiekt techniczny znajduje się w stanie niezdatności zadaniowej. Do tego podzbioru należą między innymi stany [71, 74, 75]:
stan oczekiwania obiektu technicznego na obsługiwanie,
stan obsługiwania obiektu technicznego,
stan oczekiwania obiektu technicznego na diagnozowanie,
stan diagnozowania obiektu technicznego.
Informacje o przebiegu procesu eksploatacji maszyn oraz o jego efektywności technicznej i ekonomicznej oraz występowaniu zagrożeń można przedstawić w postaci zbioru wskaźników decyzyjnych.
W celu zwiększenia przejrzystości opisu przyjęto, że wartości definiowanych wskaźników oceny wyznaczane są na podstawie realizacji procesu eksploatacji obiektów technicznych i dotyczą przedziału czasu <0, t>. Dane niezbędne do wyznaczenia wartości tego typu wskaźników pozyskiwane mogą być zarówno metodami tradycyjnymi (rejestracja czasów trwania stanów eksploatacyjnych, wykorzystanie metod diagnostyki technicznej do oceny stanów maszyn) jak i wirtualnymi (np. komputerowa symulacja przebiegu zmian analizowanych stanów maszyn).
Wartości wskaźników decyzyjnych (wskaźników oceny realizowanych procesów w systemie eksploatacji) mogą być wyznaczane zarówno dla pojedynczych maszyn, całego zbioru eksploatowanych maszyn jak i ich podzbiorów. W celu zwiększenia przejrzystości
opisu w dalszej części opracowania wyróżnione rozłączne podzbiory maszyn nazwano kategoriami. Wyróżnienie kategorii maszyn może być związane zarówno z ich zróżnicowaniem, a w tym między innymi z ich wpływem na bezpieczeństwo, wpływem na efektywność realizowanego procesu i działania systemu eksploatacji, jak i podobieństwem (obiekty techniczne tego samego typu). Wówczas o przynależności do danej kategorii mogą decydować takie cechy jak:
► typ obiektu,
► potencjał użytkowy.
Ponadto, jeżeli dokonano dekompozycji obiektów technicznych (maszyn), tj. podziału ich na podsystemy niższego rzędu (podziału na układy, zespoły, elementy), to w celu uwzględnienia w analizie wyróżnionych podsystemów obiektu technicznego wprowadzono podstany stanów głównych. Wyróżnienie istotnych stanów głównych dokonywane jest na podstawie analizy przestrzeni stanów obiektów technicznych (realizowanego procesu eksploatacji) z uwzględnieniem specyfiki danego systemu eksploatacji (przedsiębiorstwa) oraz celów analizy. Podstanami stanów głównych są stany podsystemów obiektu technicznego. Wprowadzono następujące oznaczenia:
Sr - stan główny oznaczony kodem s, Srs - podstan s stanu głównego r, gdzie: r - indeks stanu głównego, r = 1, 2, ..., g,
s - indeks podstanu - oznacza kod wyróżnionego podsystemu obiektu technicznego, s = 1,2, ..., u,
g - liczba wyróżnionych stanów,
u - liczba wyróżnionych podsystemów obiektu technicznego, G = {1 ,2, ..., g} - zbiór indeksów stanów głównych,
U = {1 ,2, ..., u} - zbiór indeksów podstanów stanów głównych.
Wskaźniki oceny i analizy efektywności oraz bezpieczeństwa eksploatacji maszyn W celu zdefiniowania wskaźników decyzyjnych przyjęto następujące oznaczenia:
a - liczba wyróżnionych kategorii obiektów technicznych,
Lb - liczność b-tej kategorii, b = 1, 2, ..., a (liczba obiektów technicznych należących do b-tej kategorii), L - sumaryczna liczba obiektów technicznych, gdzie:
L Lb
b
a
1
,
OT - zbiór kodów obiektów technicznych eksploatowanych w systemie, gdzie:
OT = {1, 2, ..., L1, L1 + 1, L1 + 2, ..., L1 + L2, L2 + 1, L2 + 2, ..., L}, i - kod obiektu technicznego, i OT,
KTb - zbiór kodów obiektów technicznych należących do b-tej kategorii, gdzie:
KT1 = {1, 2, ..., L1},
KTb = {Lb-1 + 1, L b-1 + 2, ..., L b-1 + L b}, dla b > 1,
virs(t) - liczba wejść (w przedziale czasu <0, t>) obiektu oznaczonego kodem i do stanu Srs .
Do oceny i analizy efektywności oraz bezpieczeństwa realizacji procesu roboczego można zastosować następujące wskaźniki [25]:
1. Sumaryczna liczba wejść procesu do wyróżnionych stanów:
a) dla stanów głównych Sr,
wszystkich obiektów technicznych:
Vr virs
s U i OT
, (3.3) obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
Vrb virs
s U i KTb ( )
, (3.4)b) dla podstanów Srs,
wszystkich obiektów technicznych:
Vrs virs
i OT
, (3.5) obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
Vrsb virs
i KTb ( )
. (3.6)2. Sumaryczny czas przebywania obiektów w wyróżnionych stanach procesu eksploatacji:
a) dla stanów głównych Sr,
dla wszystkich obiektów technicznych:
CTr cirsj
j v
s U i OT
irs
1
, (3.7)
gdzie: cirsj - czas przebywania i-tego obiektu w stanie Srs po j-tym wejściu do tego stanu, gdzie: i OT, r G, s U, j = 1, 2, ..., vrsi
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
CTrb cirsj
j v
s U i KT
irs
b
( )
1
, (3.8)
b) dla podstanów Srs,
dla wszystkich obiektów technicznych:
CTrs cirsj
j v
i OT
irs
1
, (3.9)
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
CTrsb cirsj
j v
i KT
irs
b
( )
1
. (3.10)
3. Sumaryczny zysk (nakład) związany z przebywaniem obiektów technicznych w wyróżnionych stanach procesu eksploatacji:
a) dla stanów głównych Sr,
dla wszystkich obiektów technicznych:
CZr cirsj z
j v
s U
i OT rs
irs
1
, (3.11)
gdzie: zrs - zmienna losowa oznaczająca umownie zysk (dodatni lub ujemny) osiągany na jednostkę czasu przez system, gdy obiekt techniczny znajduje się w stanie Srs
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
CZrb cirsj z
j v
s U
i KT rs
irs
b
( )
1
, (3.12)
b) dla podstanów Srs,
dla wszystkich obiektów technicznych:
CZrs cirsj z
j v
i OT rs
irs
1
, (3.13)
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
CZrsb cirsj z
j v
i KT rs
irs
b
( )
1
. (3.14)
4. Sumaryczny zysk (strata) osiągnięty przez system w wyniku realizacji zadań przez obiekty techniczne:
a) należące do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a),
CZ b c z
r G irsj
j v
s U
i KT rs
irs
b
( )
1
, (3.15)
b) ogółem,
CZ c z
r G irsj
j v
s U
i OT rs
irs
1
. (3.16)
5. Wartość średnia zysku (straty) osiągniętego przez system na jednostkę czasu w wyniku eksploatacji jednego obiektu technicznego:
a) należące do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a),
ZJ CZ
CT
c z
c
b
b
rb r G
r G irsj
j v s U
i KT rs
r G irsj
j v s U i KT
irs
b
irs
b
( )
( )
( )
1
1
, (3.17)
b) ogółem,
ZJ CZ
CT
c z
r c
r G
r G irsj
j v s U
i OT rs
r G irsj
j v s U i OT
irs
irs
1
1
. (3.18)
6. Sumaryczny zysk (strata) osiągnięty przez system w wyniku realizacji zadań przewozowych przez losowy obiekt techniczny:
a) należący do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a),
ZL CZ
L
c z
L
b
b
b
r G irsj
j v s U
i KT rs
b
irs
( ) b
( )
1 , (3.19)
b) ogółem,
ZL CZ L
c z
L
r G irsj
j v s U
i OT rs
irs
1 . (3.20)
7. Wartość średnia i odchylenie standardowe ciągu losowego wyrażającego sumaryczny czas przebywania obiektów technicznych w wyróżnionych stanach procesu eksploatacji.
Analizowany ciąg losowy można przedstawić w postaci:
a) dla stanów głównych Sr,
dla wszystkich obiektów technicznych:
ATr1, ATr2, ..., ATri , ..., ATrL , r G, i OT, (3.21)
gdzie: ATri cirsj
j v
s U
irs
1, (3.22)
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
ATrb ATrb ATrmb ATrLb
1 2 b
( ), ( ), ..., ( ), ..., ( ), r G, m = 1, 2, ..., Lb , (3.23)
gdzie:
AT
c dla b
c dla b
rmb
j mrsj v s U
L m rsj
j v
s U
mrs
b Lb m rs
( )
( )
( )
1
1
1
1 1
1 , (3.24)
b) dla podstanów Srs,
dla wszystkich obiektów technicznych:
ATrs1, ATrs2, ..., ATrsi, ...,ATrsL, r G, s U, i OT, (3.25) gdzie:
ATrsi cirsj
j virs
1, (3.26)
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
ATrsb ATrs2b ATrsmb ATrsLb
1 b
( ), ( ), ..., ( ), ..., ( ) , r G, s U, m = 1, 2, ..., Lb , (3.27) gdzie:
AT
c dla b
c dla b
rsmb
j mrsj v
L m rsj j
v
mrs
b Lb m rs
( )
( )
( )
1
1
1
1 1
1 . (3.28)
8. Wartość średnia i odchylenie standardowe ciągu losowego wyrażającego sumaryczny zysk (stratę) dla poszczególnych obiektów technicznych w wyróżnionych stanach procesu eksploatacji. Analizowany ciąg losowy można przedstawić w postaci:
a) dla stanów głównych Sr,
dla wszystkich obiektów technicznych:
AZr1, AZr2, ..., AZri, ..., AZrL, r G, i OT, (3.29) gdzie:
AZri cirsj z
j v
s U rs
irs
1, (3.30)
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
AZrb AZrb AZrmb AZrLb
1 2 b
( ), ( ), ..., ( ), ..., ( ) , r G, m = 1, 2, ..., Lb , (3.31)
gdzie:
AZ
c z dla b
c z dla b
rmb
j mrsj v
s U rs
L m rsj
j v
s U rs
mrs
b
Lb m rs
( )
( )
( )
1
1
1
1 1
1 , (3.32)
b) dla podstanów Srs,
dla wszystkich obiektów technicznych:
AZrs1, AZrs2, ..., AZrsi, ..., AZrsL, r G, s U, i OT, (3.33) gdzie:
AZrsi cirsj z
j v
rs
irs
1, (3.34)
dla obiektów technicznych należących do b-tej kategorii (b = 1, 2, ..., a):
AZrsb AZrs2b AZrsmb AZrsLb
1 b
( ), ( ), ..., ( ) , ..., ( ) , r G, s U, m = 1, 2, ..., Lb , (3.35) gdzie:
AZ
c z dla b
c z dla b
rsmb
j mrsj v
rs
L m rsj rs j
v
mrs
b Lb m rs
( )
( )
( )
1
1
1
1 1
1 . (3.36)
Ekonomiczne wskaźniki oceny efektywności procesu i systemu eksploatacji
Poniżej przedstawiono przykładowe wskaźniki ekonomiczne, które można wykorzystać do oceny i analizy procesu i systemu eksploatacji maszyn. Przyjęto założenie, że w ocenianym systemie realizowane są procesy zapewniania zdatności obejmujące obsługi w dniu użytkowania, naprawy bieżące, tzw. naprawy główne (remonty kapitalne), okresowe obsługi techniczne maszyn, procesy oceny stanu maszyn, itp. W przypadku systemów, w których tego typu procesy nie są realizowane liczność zbioru wskaźników oceny zostanie zmniejszona, a odpowiednie składowe pozostałych wskaźników przyjmą wartość zero.
1. Wskaźnik udziału kosztu zakupu części zamiennych w sumie kosztów bezpośrednich ponoszonych przez system eksploatacji obiektów technicznych (przedsiębiorstwo) w analizowanym przedziale czasu (np. miesiąca, roku itp.) – K czb
m
1 j
b i i n
1 b i cz
K j
I C
K (3.37)
Opis oznaczeń:
Ci – średnia cena i – tej części zamiennej zakupionej w ciągu analizowanego przedziału czasu, i = 1 , ... , n,
Ii – ilość i – tych (i = 1,..., n) części zamiennych zakupionych w ciągu analizowanego przedziału czasu
