|
О МОНИТОРИНГЕ ЭКОТЕХНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Борис Владимирович Гусев, президент Российской
инженерной академии, член-корреспондент РАН
Анатолий Алексеевич Сперанский, ведущий эксперт
Федерального экспертного совета ГД РФ, академик РИА
Александр Игоревич Прохоров, аспирант МГИУ
Научно-инженерное сообщество всегда было и остается сегодня главной движущей силой мирового технологического прогресса. При этом, уровень фундаментальных и прикладных знаний определяет технологический статус стран и народов, является основой конкурентоспособности и предметом национальной гордости.
Из материалов Совета безопасности РФ
Порожденное научно-техническим прогрессом стремление общества к господству над природой привело к бурной индустриализации производства с неуемным потреблением энергетических и природных ресурсов. Разбалансированная антропогенная компонента среды обитания - техносфера, всё более конкурируя с природой, нередко подавляет и разрушает естественные процессы самоорганизации динамического равновесия и причинно-следственные связи, обеспечивающие природный гомеостаз. Критический характер развития конфликта между человеческой деятельностью и окружающей средой по ее приспособлению к общественным нуждам стал приводить к природным, экологическим, техногенным и социальным катастрофам. Общество стало заложником всеобщего системного кризиса, в основе которого острый дефицит времени осмысления критических процессов нарушения гомеостаза, приводящих к трагическим последствиям. Устранить дефицит времени для принятия адекватных управленческих решений и реализации эффективных мер предотвращения экотехнологических катастроф возможно только на основе фундаментальных научных знаний и глубокого понимания физики причинно-следственных процессов Природно-технических систем (ПТС) на основе достоверной информации об этих процессах.
Растущее количество глобальных и локальных катастроф поставило вопрос об их системном научном изучении для выявления структуры стихийных и управляемых факторов и причин, формирования прогноза, предупреждения и предотвращения потерь. Системный подход предполагает объективную исходную классификацию явлений, достоверное понимание физической сути природного синтеза и адекватного ему научного анализа гомеостаза. Системообразующими являются взаимосвязанные и взаимозависимые виды катастроф природного, экологического, технологического и социального характера.
В последние годы учеными Международной и Российской инженерных академий на основе фундаментальных научных знаний и возможностей современных вычислительных систем под руководством А.А.Сперанского реализован амбициозный проект по разработке и исследованию нового поколения универсальных волновых инструментальных средств пространственно-временного мониторинга и реконструкции диагностических параметров механических систем в реальном времени.
Разработаны системно-связанные инновационные методы и конструкционные решения для достоверного 3D-мониторинга процессов природного синтеза и адекватной измерениям реконструкции напряженно-деформированных состояний. Созданные на базе векторно-фазовой виброакустической метрологии, они вместе образуют Волновую Энергоинформационную Технологию (Wave Energy Information Tech-nology). Суть инновационного подхода ВЭИТ-технологии состоит в том, что колебательные движения, являясь формой существования материи и проявления энергии, реализуются в виде пространственно-временных эллиптических траекторий, параметры которых в полной мере и однозначно отражают всеобщие природные закономерности.
В основе ВЭИТ-технологии практически реализованы:
- обратное тензорное 3D-преобразование (измерение) связанных компонентов пространственных диагностических параметров волновых полей;
- фундаментальные возможности векторно-фазовой многопараметрической реконструкции системно связанных диагностических параметров колебаний волновых деформационных полей;
- спектральная реконструкция напряженно-деформированных состояний с учетом определяющих эллиптических уравнений связи параметров фундаментальных законов механики сплошных сред;
- реконструкция кибернетического образа гомеостатического портрета динамической прочности;
- реконструкция и визуальное представление техногенеза - прогноза гомеостаза ПТС.
По мнению Российского Фонда Фундаментальных исследований (академик К.В.Фролов), работа является стратегической прорывной информационной технологией по направлению "Фундаментальные исследования в области Инженерных наук" (Грант РФФИ №05-08-33442-а). Высокая информативность волновых методов, достоверность и точность векторных измерений впервые практически подтверждены в 2008 г. на газотранспортных предприятиях ОАО "Газпром" при выполнении Госконтракта № 0246-06-2, в испытаниях динамической прочности объектов новой техники в ГНЦ "ЦИАМ им. П.И. Баранова", при балансировках тяжелых многоопорных турбин на тепловых электростанциях в ОАО "Мосэнерго", при оценке влияния внешних воздействий, в том числе, природного и террористического характера, на сложные строительные конструкции.
К достоинствам технологии относятся:
- отсутствие мировых аналогов в области механики сплошных сред;
- фундаментальность научных основ полевого векторно-фазового метода;
- универсальность инструментальных средств для различных областей применения;
- существенное, от 1,5 до 20 раз, повышение информативности полевых измерений;
- практическая реализация прямого инструментального способа оценки волновых параметров напряженно-деформированных состояний механических систем;
- возможность анизотропно-прочностных измерений материалов и конструкций;
- достоверность оценки "по текущему состоянию" эксплуатационного ресурса прочности машин и сооружений и прогноза их безопасной эксплуатации.
Президиум Научно-координационного совета Российской Академии наук (РАН) по техническим наукам и Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН одобрил положительный опыт применения фундаментального векторно-фазового метода при создании уникальных инструментальных средств диагностики сложных механических объектов ПТС. Отмечено, что особую важность представляет проблема комплексной диагностики внутриобъектовой совместимости разнородных механических колебательных систем, подчиняющихся законам классической и строительной механики, динамики аэроупругих сред и гидроакустики. Взаимное межсистемное влияние проектных ошибок, производственных дефектов и эксплуатационных патологий порождают критические энергетических состояния и, как правило, являются предвестниками техногенных катастроф. По этим причинам проблемы системной экотехнологической безопасности, непосредственно влияющие на безопасность жизнедеятельности человека во взаимодействии с ПТС, представляют не только инженерно-технический и научно-исследовательский интерес, а являются предметом пристального внимания всего мирового сообщества. Для исследования сложных полидинамических колебательных процессов механических систем разной физической природы, помимо фундаментальных знаний, научного опыта и инженерной интуиции, требуются современные высокоинформативные инструментальные средства достоверного мониторинга и многопараметрической спектральной реконструкции волновых полей.
Инновационные технологии пространственно-временных измерений системно связанных тензорным образом компонентов диагностических параметров и векторно-фазовых построений эллипсоидных годографов линейно-вращательных механических колебаний составляют основу отраслевых приложений ВЭИТ-технологии. Имеется возможность системного гомеостатического мониторинга конструкционной прочности в машиностроении, строительстве, тепловой, атомной и гидроэнергетике, авиационно-космическом, морском, наземном и трубопроводном транспорте, на всех без исключения объектах ПТС. Составляющие ВЭИТ-технологии опираются на фундаментальные научные знания в области механики сплошных сред, обеспечивая условия максимальной адекватности результатов наблюдений самим наблюдаемым процессам.
Для решения проблемы предотвращения критических состояний сложных динамических объектов ПТС необходимо внедрение научно-технологически обоснованных отраслевых и объектовых приложений ВЭИТ-технологии через объединение усилий инжиниринговых компаний и ведущих специалистов в области динамической прочности для создания уникальных экспертно-метрологических систем эффективного волнового мониторинга техногенеза.
Ввиду чрезвычайной государственной важности задач достоверного экотехнологического мониторинга, эффективного прогноза и предотвращения катастроф, рекомендовано Российской инженерной академии возглавить координацию инновационной деятельности по развитию инструментальных средств ВЭИТ-технологии, усилить интеграционные межотраслевые процессы промышленного применения пространственно-временных методов для достоверной оценки текущего эксплуатационного ресурса конструкционной прочности и создания с заинтересованными структурами и ведомствами прикладных комплексов эффективного прогноза техногенной безопасности в машиностроении и строительстве.
Интерес к области мониторинга механических систем у научного сообщества увеличивается с каждым годом. По сложившейся в мировом научно-техническом сообществе терминологии под мониторингом понимается процесс идентификации деформаций инженерных сооружений с целью оценки их состояния ("здоровья") (Structural Health Monitoring - SHM). По тематике SHM проводится множество конференций, более 10 лет издается одноименный научный журнал. Данная область постоянно привлекает к себе внимание специалистов различных направлений, все большую роль начинают играть междисциплинарные исследования. К ведущим мировым университетским исследовательским центрам SHM, занимающимся развитием методологии и технологии мониторинга состояния инженерных сооружений относятся: The University of Michigan Laboratory for Intelligent Structural Technology, Los Alamos National Laboratory Engineering Institute, Department of Civil and Environmental Engineering Vanderbilt University Nashville, Hewlett-Packard, Digitexx (USA), Luleа University (Sweden), Structural Vibration Solutions A/S (Дания), Campbell Scientific.
Подтверждением перспективности российской ВЭИТ/WEIT-технологии является объявленный в 2010 году компанией Hewlett-Packard запуск проекта CeNSE (Central Nervous System for the Earth) - "Центральная нервная система Земли". Целью проекта является создание глобальной системы для всеобъемлющего мониторинга состояния инженерных сооружений и машин на основе разработанных HP микроэлектромеханических MEMS-акселерометров. Этот амбициозный проект реализуется с применением новейших вычислительных технологий. // HP's Million Sensitive Spots, Quentin Hardy, 05.06.09, EDT Forbes Magazine dated May 25, 2009 //
Комплекс инноваций ВЭИТ/WEIT-технологии Международной и Российской инженерных академий принципиально отличается от глобального проекта Hewlett-Packard, как минимум, четырьмя научно-технологическими подходами:
а) ВЭИТ/WEIT-технология основана на прецизионном измерении 3D/6D-приемниками (с жестким металлическим изотропным корпусом) суперпозиции спектрального сигнала, синтезируемого природой в общей физически сфокусированной приемником измерительной точке, а не на разрозненных измерениях собранных на эластичной кремниевой подложке трех/шести MEMS-акселерометров Hewlett-Packard;
б) диагностическими параметрами ВЭИТ/WEIT-технологии являются векторно-фазовые параметры гомеостатического спектрального портрета пространственно-временных эллиптических траекторий, отражающих текущее состояние измерительных точек объекта мониторинга, в отличие от усредненных статистических аналитических методов, пусть даже на суперсовременной вычислительной технике;
в) объектом реконструкции и визуализации ВЭИТ/WEIT-технологии является многомерный кибернетический образ динамического равновесия напряженно-деформированного состояния объекта мониторинга, в отличие от общепринятых методик диагностики состояния на основании статистических экспертных оценок в CeNSE Hewlett-Packard;
г) стратегической задачей приложений ВЭИТ/WEIT-технологии является автоматизированная оценка в реальном времени текущего состояния ресурса конструкционной прочности машин и сооружений с целью прогноза и предотвращения аварий и катастроф.
Развитие проекта HP 2010 года CeNSE и инвестиционный анализ позволяют сделать вывод, что интерес к научно обоснованному мониторингу приобрел международное общественное значение и все больше привлекает к себе внимание специалистов в области экотехнологической безопасности.
Практической реализацией ВЭИТ явился проект "Высокотехнологичные инструментальные средства для мониторинга параметров динамической прочности", представляющий информационную технологию достоверного мониторинга физических параметров текущего эксплуатационного ресурса прочности. Журнал "Двигатель" публиковал статьи о данной разработке, которая позволяет прямым способом в реальном времени измерять параметры напряженно-деформированных состояний для оценки характеристик ресурса прочности природно-технических систем и объективного прогноза безопасной эксплуатации критически важных инженерных объектов. Созданы и успешно испытаны программно-аппаратные средства эффективного мониторинга силовых машин, авиационных двигателей, различных механизмов и сооружений (мостов и зданий).
А. Прохоровым Президенту России была продемонстрирована работа комплекса на базе ГТД МД-120 в рамках инновационного форума Селигер 2010. Комплекс при помощи векторных приемников механических колебаний измеряет вектор смещения (а так же виброускорения) точек объекта, на котором они установлены, при помощи специализированного ПО строит поле напряжено-деформированного состояния контурной поверхности объекта, по которому в реальном времени производится спектральная реконструкция параметров прочности. При этом на мониторе оператора результат измерения отображается в виде контурной поверхности объекта мониторинга с отображением разными цветами различных уровневых зон параметров деформации объекта.
Использование подобных систем в авиационном двигателестроении позволит решать многие задачи, основными из которых является:
- исследование процессов оптимизации зубчатых передач и редукторов;
- оценка параметров динамической прочности и текущего эксплуатационного ресурса оборудования при модернизации системы контроля технического состояния вертолетов СКТСВ;
- исследование динамической прочности, параметров анизотропии и определение износа керамополимерных пар трения;
- диагностика интегрального состояния двигателя в полете (определение ресурса безопасной эксплуатации);
- диагностика состояния узлов двигателя в полете благодаря выявлению характеристических частот колебаний для конкретных узлов (например, подшипников);
- диагностика при испытаниях новой авиационной техники.