1.1. Обзор способов и методов разработки метрологического обеспечения контроля и диагностирования технического состояния автотранспортных средств.

Одними из основных причин снижения эффективности эксплуатации автотранспортных средств являются [1-4,12-18]: 1. несовершенство конструкции узлов, агрегатов, систем АТС; 2. недостаточный уровень технического обслуживания, ремонта и оснащенности средствами технической диагностирования процессов технического обслуживания и ремонта АТС; 3.

Поскольку разработке метрологического обеспечения диагностирования технического состояния АТС, как комплекса научных, технических и организационных мероприятий и средств на всех этапах жизненного цикла АТС, обеспечивающего требуемое качество и эффективное проведение технического диагностирования, до последнего времени уделялась недостаточно внимания, то в настоящее время наблюдается отсутствие единого подхода к разработке метрологического обеспечения диагностирования технического состояния АТС, как совокупности мер, направленных на обеспечение требуемой точности и единства измерений в заданный промежуток времени с минимальными затратами. Это объясняется, с одной стороны тем, что в ус-

ловиях существования единой системы метрологического обеспечения автомобильного транспорта вопросы эффективности решений по обеспечению требуемой точности и единства измерений решались экспериментальными методами в условиях отрасли, а с другой стороны, наличием большого числа связанных контролируемых параметров и сложным характером процессов технического обслуживания и ремонта АТС.

Техническое диагностирование АТС и отдельных его агрегатов, узлов, элементов направлено на решение следующих задач: на определение технического состояния; поиск и локализацию места отказа или неисправности; прогнозирование остаточного ресурса или вероятности безотказной работы на заданном интервале наработки.

Этап диагностирования отражает настоящее техническое состояние АТС без его разборки, по внешним признакам, путем измерения величин, характеризующих его состояние и сопоставления их выбранным критериям (допускам, номинальным, предельным и допускаемым значениям параметра и др.).

Зачастую без разборки узла или агрегата невозможно оценить техническое состояние конструктивного измеряемого параметра, поэтому выводы основываются на косвенных показателях состояния АТС, качественной мерой которых служат диагностические параметры. В противном случае, при осуществлении разборки и нарушении взаимного положения приработавших деталей остаточный ресурс сокращается на 30 - 40% [56].

Основные особенности измерений при диагностировании АТС обусловлены физической разнохарактерностью информации, необходимостью учитывать взаимовлияние структурных и диагностических параметров, значи-

тельными диапазонами изменений параметров, необходимостью выявлять неработоспособные составные части в работоспособных узлах (и наоборот). Диагностическая информация используется, как правило, для управления технологическим процессом или ресурсами, что предъявляет к ней особые требования в части оперативности и качества. Кроме того, операции диагностирования предполагают наряду с измерениями операции контроля и испытаний.

Задачи, решаемые при диагностировании и контроле, который является частным случаем диагностирования, [14] зависят от стадии эксплуатации АТС и приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация видов диагностирования, использ>смых при определении технического состояния АТС.

Для обеспечения оптимальных значений указанных характеристик разрабатываемой системы диагностирования необходимо при разработке метрологического обеспечения решить следующие задачи[1-3]: выбора, обоснования точности и достоверности измерений; нормирования предельных, допускаемых значений контролируемых параметров и управление характеристиками достоверности при эксплуатации; типизации точности контрольно- диагностических методов; оценки влияния наработки АТС на изменение метрологических показателей контроля и диагностирования.

В настоящее время для решения этих задач разработаны отдельные методики.

агностики, требуется расширять диапазон диагностических параметров, что приводит к усложнению и удорожанию системы диагностирования. К этим же последствиям может привести необоснованное повышение точности измерения параметров при вероятностной оценке качества системы контроля и диагностирования без учета стоимости СТД. Раздельное рассмотрение вышеуказанных вопросов вызвано в первую очередь сложностью получаемых функциональных зависимостей между характеристиками проводимых измерений и критериями эффективности метрологического обеспечения. В общем случае, [1,4] оптимизация метрологического обеспечения проводится на основе минимизации целевой функции

(1.1)

где ЬФ, LM, L - средний ресурс, межконтрольный пробег и наработка автомобиля с момента начала эксплуатации; a, V?. - показатель степени и среднее квадратическое отклонение величины Z; Z - отклонение фактического значения параметра под воздействием внешних эксплуатационных факторов от теоретического (усредненного) значения определяемое на основе математических моделей надежности узлов, агрегатов и систем автомобиля; А, С, В - средние издержки, связанные с устранением отказа, выполнением профилактических операций (регулировок) и издержки на контроль (диагностирование) элемента; VM, V, Уф - коэффициенты вариации, соответственно Lcp, LM, L; VA, VC, Vb - коэффициенты вариации, соответствующих издержек; S(L) - непрерывные издержки в результате технологического процесса, снижения экономичности автомобиля, вызванные изменением параметров.

Из работы [4] следует, что получить аналитическое решение этой функции возможно лишь в отдельных случаях при решении отдельных задач. Т.е., основной причиной снижения эффективности метрологического обеспечения диагностирования технического состояния АТС, в настоящее время, является отсутствие единой методики метрологического обеспечения, увязывающей решение вышеперечисленных задач на основе обеспечения заданной вероятности неверного заключения.

В работе [1] показано, что в основу выбора средств технической диагностики контролируемых параметров должны быть положены технические, экономические или технико-экономические критерии.

Известна методика выбора СТД контролируемых параметров автотранспортных средств, описанная в работе [1], на основе требований однозначности, стабильности, чувствительности, информативности и технологичности к контролируемым параметрам. Названная методика включает в себя следующие этапы: 1) анализ статистических данных по эксплуатационным отказам и неисправностям с целью выявить наименее надежные составные части и установить наиболее часто повторяющиеся неисправности; 2) установление схемы структурно-следственных связей; 3) выбор методики поиска неисправностей и алгоритма диагностирования.

Однако данная методика разработана на основе технических критериев и не учитывает влияние ошибок первого и второго рода и потери, в результате этих ошибок, а также стоимости реализуемой системы диагностирования. Поэтому, она не позволяет оптимизировать выбор СТД контролируемых параметров для обеспечения максимальной эффективности с учетом требуемой достоверности и стоимости технического состояния АТС.

Неотъемлемой частью процесса диагностирования является локализация неисправностей, т. е. их поиск и устранение. При этом отыскание отказавших элементов ведется не до наступления отказа, а в его предположении. Поэтому алгоритмизация поиска должна базироваться на логике и вероятностной основе с учетом функциональных связей между параметрами АТС [1].

Состав параметров, главным образом, определяется методом отыскания отказавшего элемента. Методы обнаружения отказа подразделяются на два вида: 1. метод индикации неисправностей, при котором автоматически индицируются отказавшие элементы с помощью датчиков; но при сложной конструк-

ции диагностируемого узла он обладает низкой эффективностью; 2. метод поиска, где отказавший элемент определяется путем выполнения по определенному плану ряда измерений.

При комбинационном методе техническое состояние АТС определяет на основании заданного числа контрольных операций, производимых в произвольном порядке. Здесь неисправности выявляются после выполнения всех намеченных измерений путем сопоставления и анализа полученных результатов, т. е. на основании анализа результатов комбинации измерений. Данный метод имеет немаловажные недостатки - большие временные затраты и поэтому редко используется.

Во время проведения последовательного поиска контрольные операции производятся в установленном порядке, обеспечивающим наиболее рациональную их очередность. При этом полученные значения параметров оцениваются непосредственно после выполнения измерения, и если состояние системы или узла еще не ясно определено, то выполняется следующее по порядку измерения. Порядок измерения может быть строго фиксированным (упорядоченный безусловный поиск) или же изменяться в зависимости от результатов предыдущих измерений (условный поиск). Среднее число измерений, необходимых для локализации неисправностей, во втором случае меньше, чем в первом, но все-таки логика поиска при упорядоченном методе сложнее. В данном случае эффективность процедуры поиска также оценивается с помощью величины вероятности правильно диагностирования, зависящей от ошибок первого и второго рода. Ошибка первого рода возникает, если место отказа локализуется с недостаточной степенью подробности, а ошибка второго рода - при неверном определении места отказа.

При оптимизации точности измерений необходимо учитывать, что отдельные параметры в зависимости от их влияния на результаты контроля следует измерять с различной погрешностью [1]. Величина этой погрешности будет зависеть от параметра, который отражает техническое состояние кон-

тролируемой системы АТС (например, на системы, определяющие технико- экономические показатели, уровень безопасности движения, эксплуатационные характеристики АТС). Для учета значимости отдельных параметров в этом случае в работах [1-3] предложен способ определения допустимой погрешности измерения как части поля допуска на контролируемый параметр с помощью коэффициента где <р=1,6 - коэффициент трансформации; п -

порядок трансформации, соответствующий категории точности измерений.

Категории точности составных частей автомобиля Таблица 1.1 Система (агрегат) ЛТС Двигатель Электрооборудование | Рама, кабина Задний мост Передний мост ш

а.

Sj

§ 1 я ? Тормозная система Шины i | a J

8 = = 5 ^ э * - я

о к С

5 = s о М Трансмиссия Категория точности 3 3 4 3 2 2 2 2 2 3 Порядок лрансфор- мании 2 2 1 2 3 3 3 3 3 2 1. Для систем АТС, в которые входят узлы, относящиеся к разным категориям точности, приведенная погрешность ^ косвенном оценки i-ro структурного параметра по измерению j-ro диагностического составит [1]

2Пп (%)

где Пп - предельное значение j-ro контролируемого параметра; Uj - предельное значение i-ro структурного параметра.

Приведенная формула справедлива для систем АТС, в которых отдельные контролируемые параметры имеют одинаковую размерность. В случае если контролируемые параметры не имеют одинаковой размерности, то допустимая приведенная погрешность измерения определяется по формуле [3]

2 m, (16)

где - изменение (в %) j-ro диагностического параметра, вызванное изменением i-ro структурного; г - число групп структурных параметров, влияю- щих на j-й диагностический; ш - число одноименных i-x структурных параметров.

Другие способы выбора методов и средств измерения контролируемых параметров АТС представлены в [I ].

выбор средств измерения по коэффициенту уточнения, основанный на сравнении точности измерения и допуска на контролируемый параметр.

Выбор средств измерения по принципу безошибочности контроля [1] предполагает определение коэффициента уточнения на основе обеспечения заданных вероятностей ошибок первого и второго рода.

Выбор средств измерения с учетом безошибочности контроля и его стоимости [1,3] проводится на основе целевой функции вида N

(1.4) рДе Piui/Рн3i max > Q/Cimax " °ггносительные значения ошибки неверного

заключения при контроле и стоимости средств измерения; Рн-iimax.' Cimax"

соответственно максимальные значения ошибки неверного заключения и стоимости средства измерения по i-му контролируемому параметру.

4. Выбор средств измерения по технико-экономическим показателям является предпочтительным при эксплуатационном контроле и диагностировании АТС, поскольку позволяет принять во внимание, как метрологические характеристики средств измерений, так и технико-экономические показатели эксплуатации АТС.

Известно [2], что с увеличением наработки АТС, рассеяние значений контролируемых параметров, характеризующих техническое состояние систем АТС увеличивается. При этом изменяются метрологические характеристики диагностирования по этим показателям. Таким образом, не принимая во внимание области малых наработок, требования к метрологическим показателям диагностирования должны повышаться. Наибольшая достоверность

контроля должна быть обеспечена в области наработок, соответствующих предельным значениям параметров, по которым проводится диагностирование, поскольку принимаемое в этой области решение о годности узла сопряжено с ошибками первого и второго рода.

С увеличением наработки [2] происходит изменение характеристик закона распределения (или даже вида закона распределения) параметра: значений математического ожидания, дисперсии; показателей формы и масштаба закона Вейбулла и т.д. Следовательно, для обеспечения заданных характеристик достоверности, погрешность измерения значений контролируемых параметров должна иметь различные значения в зависимости от наработки АТС.

Из вышесказанного следует, что требования к метрологическим характеристикам СТД должны формироваться с учетом реальных эксплуатационных наработок, соответствующих максимальной плотности отказов по контролируемому параметру. Поэтому, для малых наработок эти показатели будут представлять собой завышенную по погрешности оценку.

Следует отметить, что СТД АТС работают, как правило, в сложных условиях, поскольку измерение параметров - многогранный процесс и подвергается множеству воздействий, как со стороны внешней среды, так и источников питания. В реальных условиях сложно оценить каждый влияющий фактор в отдельности, т. к. СТД подвергается влиянию сразу совокупности факторов. В эксплуатационных условиях, при установке прибора на автомобиль неизбежно возникают погрешности, превышающие те которые, возникают в нормальных (лабораторных) условиях. Поэтому при разработке метрологического обеспечения необходимо учитывать дополнительные погрешности, которые, как правило, оговариваются в технической документации, но их влияние на эффективность метрологического обеспечения остается неизученным.

Внедряемые в настоящее время в РФ стандарты ГОСТ Р ИСО 5725 - 2002 могут применяться для оценки точности выполнения измерений различных физических величин, характеризующих измеряемые свойства того

или иного объекта, в соответствии со стандартизованной процедурой, предполагающей выполнение измерений одинаковым образом. Все измерения должны выполняться согласно данному стандартному методу (в отечественных документах - "стандартизованный"). Это означает, что должен быть письменный документ, устанавливающий во всех подробностях, как должно выполняться измерение.

В ГОСТ Р ИСО 5725 - 2002 вводится понятие "принятое опорное значение" - значение, которое служит в качестве согласованного для сравнения и получено как: теоретическое или установленное значение, базирующееся на научных принципах; приписанное или аттестованное значение, базирующееся на экспериментальных работах какой-либо национальной или международной организации; согласованное или аттестованное значение, базирующееся на совместных экспериментальных работах под руководством научной или инженерной группы; математическое ожидание измеряемой характеристики, то есть среднее значение заданной совокупности результатов измерений - лишь в случае, когда вышеперечисленные пункты недоступны.

Причем, "точность" - степень близости результата измерений к принятому опорному значению. При выполнении измерений точность трактуется как сочетание случайных составляющих и общей систематической погрешности, складывающейся, в свою очередь из: систематической погрешности лаборатории при реализации конкретного метода измерений и систематической погрешности метода измерений.

В стандарте представлены определения величин, которые характеризуют, с количественной точки зрения, способность метода измерений дать верный результат (правильность) или повторить полученный результат (прецизионность).

Ранее понятия "правильность" и "прецизионность" в отечественных нормативных документах по метрологии до настоящего времени не использовались. При этом "правильность" - степень близости результата измерений к истинному или условно истинному (действительному) значению измеряв-

мой величины или в случае отсутствия эталона измеряемой величины - степень близости среднего значения, полученного на основании большой серии результатов измерений (или результатов испытаний) к принятому опорному значению. Правильность, как правило, выражают в терминах систематической погрешности (смещение). Правильность понимают иногда как "точность среднего значения".

В свою очередь "прецизионность" - степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных установленных условиях. Эта характеристика зависит только от случайных факторов и не связана с истинным или условно истинным значением измеряемой величины. Меру прецизионности обычно выражают в терминах неточности, и вычисляется как стандартное (среднеквадратическое) отклонение результатов измерений, выполненных в определенных условиях. Количественные значения мер прецизионности существенно зависят от регламентированных условий. Меньшая прецизионность соответствует большему стандартному отклонению. Экстремальные показатели прецизионности - повторяемость, сходимость и воспроизводимость. Прецизионность зависит только от случайных погрешностей и не имеет отношения к истинному или установленному значению измеряемой величины.

На изменчивость результатов измерений, выполненных по одному методу, помимо различий между предположительно идентичными образцами, могут влиять многие различные факторы, в том числе :а) оператор; б) используемое оборудование; в) калибровка оборудования; г) параметры окружающей среды (температура, влажность, загрязнение воздуха и т.д.); д) интервал времени между измерениями. Различия между результатами измерений, выполняемых разными операторами и/или с использованием различного оборудования, как правило, будут больше, чем между результатами измерений, выполняемых в течение короткого интервала времени одним оператором с использованием одного и того же оборудования.

Необходимость рассмотрения "прецизионности" возникает из-за того, что измерения, выполняемые на предположительно идентичных материалах при предположительно идентичных обстоятельствах, не дают, как правило, идентичных результатов. Это объясняется неизбежными случайными погрешностями, присущими каждой измерительной процедуре, а факторы, оказывающие влияние на результат измерения, не поддаются полному контролю. При практической интерпретации результатов измерений эта изменчивость должна учитываться.

Прецизионность является общим термином для выражения изменчивости повторяющихся измерений. Два условия прецизионности, называемые условиями повторяемости и воспроизводимости, были признаны необходимыми и, во многих практических случаях, полезными для представления изменчивости метода измерений. В условиях повторяемости (сходимости) факторы а)-д), перечисленные выше, считают постоянными, и они не влияют на изменчивость, в то время как в условиях воспроизводимости все эти факторы переменны и влияют на изменчивость результатов испытаний. Таким образом, повторяемость и воспроизводимость представляют собой два крайних случая.

"Повторяемость" - прецизионность в условиях повторяемости. При этом, "условия повторяемости (сходимости)" - условия, при которых независимые результаты измерений (или испытаний) получаются одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний, в одной и той же лаборатории, одним и тем же оператором, с использованием одного и того же оборудования, в пределах короткого промежутка времени. "Предел повторяемости (сходимости)"г - значение, которое с доверительной вероятностью 95% не превышается абсолютной величиной разности между результатами двух измерений (или испытаний), полученными в условиях повторяемости (сходимости).

Поскольку прецизионность оценивают стандартным отклонением, то в данном случае, "стандартное (среднеквадратическое) отклонение повторяв-

мости (сходимости)" - стандартное (среднеквадратическое) отклонение результатов измерений (или испытаний), полученных в условиях повторяемости (сходимости). Эта норма является мерой рассеяния результатов измерений в условиях повторяемости.

"Воспроизводимость" - прецизионность в условиях воспроизводимости, т. е. в таких условиях, при которых результаты измерений (или испытаний) получают одним и тем же методом, на идентичных объектах испытаний, в разных лабораториях, разными операторами, с использованием различного оборудования. "Стандартное (среднеквадратическое) отклонение воспроизводимости" - стандартное (среднеквадратическое) отклонение результатов измерений (или испытаний), полученных в условиях воспроизводимости. Эта норма является мерой рассеяния результатов измерений (или испытаний) в условиях воспроизводимости. "Предел воспроизводимости" R- значение, которое с доверительной вероятностью 95% не превышается абсолютной величиной разности между результатами двух измерений (или испытаний), полученными в условиях воспроизводимости.

При определенных обстоятельствах может оказаться полезным рассмотрение промежуточных условий прецизионности, при которых наблюдения осуществляются в одной и той же лаборатории, но при этом один или больше факторов - "время", "оператор" или "оборудование" - могут меняться.

Процедуры, описанные в стандартах ГОСТ Р ИСО 5725 основываются на статистической модели, которая выглядит следующим образом:

Каждый результат измерений, у, представляет собой сумму трех составляющих

у = т+В+е, (1.5)

где: m - общее среднее значение (математическое ожидание); В - лабораторная составляющая систематической погрешности в условиях повторяемости; е - случайная составляющая погрешности каждого результата измерений в условиях повторяемости.

Общее среднее значение m представляет собой уровень испытаний, т. е. общее среднее значение результатов испытаний, полученных от всех лабораторий для одного конкретного испытуемого материала или образца.

Также вводится понятие "базовый элемент (ячейка) в эксперименте по оценке прецизионности" - совокупность результатов испытаний на одном уровне, полученных одной лабораторией. Уровень m необязательно равняется истинному значению р.

Когда исследуют расхождения между результатами измерений, полученными одним и тем же методом, систематическая погрешность метода не будет оказывать никакого влияния, и ею можно пренебречь. Однако при сопоставлении результатов измерений со значением, установленным в стандарте со ссылкой на истинное значение (ц), а не на "уровень испытаний" (т), либо при сопоставлении результатов, полученных с использованием различных методов измерений, систематическую погрешность метода, естественно, необходимо учитывать.

Составляющая В считается постоянной в течение выполнения любых серий измерений в условиях повторяемости, но она будет различной по величине для измерении, выполняемых в других условиях.

Процедуры, представленные в ГОСТ Р ИСО 5725 - 2002, разрабатывались в предположении, что распределение лабораторных составляющих систематической погрешности является приблизительно нормальным, но на практике их применяют для большинства распределений, при условии, что последние являются унимодальными.

Дисперсия в называется межлабораторной и выражается следующим

образом:

var{B) = al , (1.6)

где <г,2 включает в себя изменчивость результатов, полученных разными операторами и на разном оборудовании.

Вообще говоря, В может рассматриваться в качестве суммы как случайных, так и систематических составляющих. Здесь не ставится задача дать

исчерпывающий перечень факторов, вносящих свой вклад в В, но можно отметить, что в их состав входят различные климатические условия, различия в аппаратуре в пределах допусков, назначенных изготовителем, и даже различия в процедурах обучения операторов в разных местах.

Составляющая е представляет собой случайную погрешность, имеющую место в каждом результате измерений, в предположении, что распределение этой составляющей погрешности является приближенно нормальным. Однако на практике эти процедуры применимы для большинства распределений при условии, что распределения являются унимодальными.

В пределах одной лаборатории дисперсия в условиях повторяемости носит название внутрилабораторной дисперсии и выражается следующим образом:

var(c) = <7>. (1.7)

Можно ожидать, что <т1 будет иметь различные значения в разных лабораториях вследствие различий, например в квалификации операторов, однако подразумевается, что для стандартизованного соответствующим образом метода измерений такие различия между лабораториями будут невелики и что оправдано установление общего значения внутрилабораторной дисперсии для всех лабораторий, использующих данный метод. Это общее значение, которое оценивают средним арифметическим внутрилабораторных дисперсий, носит названне дисперсии повторяемости и его обозначают следующим образом:

<7,2 = var(Для представленной статистической модели результата измерения модели по дисперсию повторяемости определяют непосредственно как дисперсию составляющей погрешности е, а дисперсия воспроизводимости зависит от суммы дисперсии повторяемости (сходимости) и межлабораторной дисперсии.

В качестве мер прецизионности используют две величины:

стандартное отклонение повторяемости

стандартное отклонение воспроизводимости

aH=jol+o;. (1.9)

Иногда, исходя из конкретной задачи, используют дополнения к исходной модели, предусмотренные в соответствующих частях ГОСТ Р ИСО 5725 - 2002.

Величины, представленные символом о в формулах (1.6) - (1.9), являются истинными стандартными отклонениями, значение которых неизвестно; конечная цель эксперимента по оценке прецизионности - оценить эти значения. Когда необходимо дать оценку (s) истинного стандартного отклонения (а) можно поставить задачу определения диапазона вокруг а, в пределах которого ожидается нахождение оценки (s). Это хорошо известная статистическая проблема, решаемая путем использования ^ - распределения и количества результатов, на которых основывалась оценка s.

Внедряемые стандарты ГОСТ ИСО 5725 - 2002 могут оказаться очень полезными при оценке деятельности лабораторий, ведь практику аккредитации лабораторий применяют все чаще. Знание правильности и прецизионности метода измерений позволяет оценить систематическую погрешность и повторяемость результатов лаборатории, претендующей быть признанной компетентной (лаборатории-кандидата), например, посредством проведения межлабораторного эксперимента. Также лаборатория может проверить стабильность своих результатов и получить, таким образом, доказательство для подтверждения своей компетентности в отношении, как систематической погрешности, так и повторяемости результатов своих измерений.

Анализ существующих методик разработки метрологического обеспечения АТС показал, что вопрос об оптимизации метрологического обеспечения диагностирования технического состояния АТС, находящихся в эксплуатации на основе обеспечения максимального уровня качества проводимого ди-

агностирования не рассматривался. Отсутствуют методики позволяющие выбрать СТД контролируемых параметров по критериям достоверности, стоимости, производительности контроля. Также не решенными вопросами являются учёт вероятностей ошибок первого и второго рода при больших наработках АТС, и как следствие этого изменения исследуемых характеристик в случаях прямого и косвенного контроля, а также при проведении диагностических операций. Кроме того, не существует математических выражений, позволяющих оценить величины ошибок первого и второго рода в условиях повторяемости и воспроизводимости при реализации стандартных методов измерений при проведении диагностических операций.