Теория и методы мониторинга и диагностики технических систем

 
 
 
 
 
А. П. Науменко, И. С. Кудрявцева 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ  
МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ 
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
2-е издание, исправленное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 

УДК 681.518.5 
ББК 30.82 
 
Н34 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» 
Омского государственного университета путей сообщения А. А. Кузнецов; 
канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Электросвязь»  
Института радиоэлектроники, сервиса и диагностики Д. А. Титов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Науменко, А. П.  
Н34   
Теория и методы мониторинга и диагностики технических систем : 
учебное пособие / А. П. Науменко, И. С. Кудрявцева. – 2-е изд., испр. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 204 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1670-2 
 
Рассмотрены основы технического диагностирования и теории надёжности, элементы теории и принципы построения систем мониторинга состояния техногенных 
объектов, а также основные методы диагностики машин, механизмов и технологических объектов нефтегазовой отрасли. 
Для студентов магистратуры. Может быть полезно аспирантам, а также специалистам, работающим в области технической диагностики и мониторинга состояния. 
 
УДК 681.518.5 
ББК 30.82 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1670-2 
© Науменко А. П., Кудрявцева И. С., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

ʝʒʚʏʑʚʔʜʗʔ  
 
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 6 
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ  
И МОНИТОРИНГА  ......................................................................................... 9 
1.1. ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  .................... 13 
1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  ....................... 21 
1.3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ  ......................................... 28 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ...................................................................................... 35 
2. ОБОБЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ  
МОНИТОРИНГА  ........................................................................................... 37 
2.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА 
ЕДИНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ СТАРЕНИЯ  ........................................................... 37 
2.2. ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ДЕГРАДАЦИИ 
СОСТОЯНИЯ  ............................................................................................................. 41 
2.2.1. Закономерности изнашивания деталей машин  .............................. 41 
2.2.2. Закономерности ползучести  ............................................................ 43 
2.2.3. Закономерности усталостного разрушения  ................................... 44 
2.2.4. Кривая интенсивности отказов  ....................................................... 54 
2.2.5. Вероятностная модель изменения потока (интенсивности)  
отказов во времени  ..................................................................................... 55 
2.2.6. Эмпирические кривые состояния объектов контроля  
(машин и механизмов)  ............................................................................... 58 
2.3. БЛОК-СХЕМА ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА 
СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ  ............................................................... 63 
2.4. ОЦЕНКА ОШИБКИ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА  ................ 68 
2.5. ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ  ............................ 71 
2.6. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА  
............................ 71 
2.7. СВЯЗЬ МЕЖДУ ПРИРАЩЕНИЕМ СИГНАЛА И ПРИРАЩЕНИЕМ  
ДЕГРАДАЦИИ  ........................................................................................................... 74 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ...................................................................................... 77 
3. ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ  ....... 78 
3.1. МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ  
................................... 78 
3 

3.2. ПАРАМЕТРЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ  .................................................... 81 
3.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ  ............................................ 86 
3.4. ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВЫБОРА И ОБОСНОВАНИЯ 
КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ  ......................................................................... 87 
3.5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ  ........ 89 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ...................................................................................... 91 
4. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА  ....... 93 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ...................................................................................... 99 
5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ  
И МОНИТОРИНГА  ..................................................................................... 101 
5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ  ................ 107 
5.1.1. Классификация по количеству и виду используемых МНК  
....... 108 
5.1.2. Классификация по типу экспертной системы  
.............................. 108 
5.1.3. Классификация по объему выявляемых неисправностей  ........... 109 
5.1.4. Классификация по величине статической ошибки  
распознавания состояния оборудования  ................................................ 109 
5.1.5. Классификация по величине динамической ошибки  
распознавания состояния оборудования  ................................................ 110 
5.1.6. Классификация по риску пропуска внезапного отказа (R6)  
........ 111 
5.1.7. Классификация по числу измерительных каналов системы  
....... 112 
5.1.8. Классификация по способу опроса датчиков  
............................... 112 
5.1.9. Классификация по архитектуре  
..................................................... 113 
5.1.10. Классификация по типу используемого анализатора  
сигналов  
..................................................................................................... 113 
5.1.11. Классификация по типу индикатора состояния  
......................... 114 
5.1.12. Классификация по наличию и уровню диагностической  
сети  ............................................................................................................ 114 
5.1.13. Классификация по типу управления  
........................................... 115 
5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА СИСТЕМЫ  .............................................................. 116 
5.3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ  ............................................................................ 119 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  .................................................................................... 120 
6. ОЦЕНКА ОШИБКИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА  ............................ 122 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  .................................................................................... 135 
4 

7. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ  .............................. 136 
7.1. ОБЗОР МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ  
...................................................... 136 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  .................................................................................... 145 
7.2. ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ  ............... 145 
7.2.1. Колебания и причины  .................................................................... 147 
7.2.2. Принципы и способы анализа сигналов  ....................................... 148 
7.2.3. Особенности метода  
....................................................................... 149 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  .................................................................................... 151 
7.3. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ  ............................................................. 152 
7.3.1. Физические основы АЭ метода контроля  .................................... 152 
7.3.2. Аппаратура АЭ контроля  
............................................................... 161 
7.3.3. Цель АЭ контроля  .......................................................................... 164 
7.3.4. Технология АЭ диагностики  ......................................................... 165 
7.3.5. Результаты АЭ контроля  
................................................................ 168 
7.3.6. Область применения АЭ метода  ................................................... 172 
7.3.7. Основные параметры акустико-эмиссионного сигнала  .............. 173 
7.3.8. Достоинства и недостатки АЭ метода  .......................................... 176 
7.3.9. Чувствительность метода АЭ  ........................................................ 179 
7.3.10. Преобразователи АЭ  .................................................................... 180 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  .................................................................................... 183 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  ............................................................................................ 185 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК  
......................................................... 187 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
Развитие технологий производства продукции и изделий различного 
назначения, необходимость как отслеживания состояния технологического 
оборудования, так и контроля качества производимой продукции требуют 
решения проблемы обеспечения наблюдаемости этих процессов. В целом 
эта проблема сводится к обеспечению мониторинга состояния в реальном 
времени техногенных систем и технологических систем в целом и их отдельных объектов в частности. Преобразование параметров физических 
процессов в электрические сигналы, сигналов – в параметры характеристик 
процессов формирует информационный поток данных, представленных в 
цифровом виде. Во всех случаях теория и методы как мониторинга состояния техногенных систем, техногенной среды, так и мониторинга передачи 
данных имеют общие принципы, в основе которых лежат методы организации сбора, преобразования, обработки и передачи данных. Теоретические 
основы этих методов, в большей части касающиеся методов обработки и 
преобразования сигналов и данных, заложены в статистической радиотехнике.  
Теория мониторинга техногенных систем базируется на понятиях теорий надёжности, технической диагностики и неразрушающего контроля. 
Поэтому прежде всего в учебном издании изложены основные и необходимые сведения из этих основополагающих отраслей науки и техники. 
Теория деградации состояния любого техногенного объекта, системы, 
как и вообще любого субъекта или объекта в нашем мире, основывается на 
основных положениях теорий изнашивания и усталостного разрушения. 
Краткие сведения из этих дисциплин дают основные представления о механизме деградации состояния объекта. Вместе с тем накопленный опыт 
мониторинга состояния техногенных систем позволил представить реальные тренды изменения состояния, которые существенно отличаются от 
принятых теоретических положений. 
Опираясь на известные положения теории механического разрушения 
и деградации состояния объектов, реальных данных о деградации состояния, авторы пособия рассмотрели методы и принципы построения систем 
6 

мониторинга. Основное внимание уделено теории мониторинга техногенных систем в реальном времени, которая базируется на модели мониторинга техногенной системы и соответствующей модели информационноизмерительной системы, позволяющей реализовать мониторинг состояния 
объекта или системы в реальном времени. Отдельный раздел посвящён 
ошибкам при обнаружении или пропуске опасных состояний, а также 
ошибкам систем мониторинга, что впервые позволило сформировать  
и представить требования к системам мониторинга на уровне погрешностей измерений прямых и косвенных параметров состояния.  
Представленная математическая модель системы мониторинга учитывает не только абсолютные изменения параметров состояния и диагностических признаков, но и, как доказано на уровне математических соотношений, скорости их изменения, что потребовало ввести в контролируемые системой мониторинга параметры новые критерии оценки состояния. 
Рассмотрены принципы построения и классификации систем мониторинга, базирующиеся на технических требованиях, имеющих вполне конкретные технические характеристики и параметры, которые изложены  
в соответствующем национальном стандарте РФ. Приведённая классификация систем мониторинга позволяет принять однозначное решение  
о применимости систем для мониторинга техногенных систем различного 
уровня сложности и ответственности, включая их опасность и стратегическое назначение. 
Вместе с тем на первый план выходят проблемы мониторинга, связанные с тем, что в настоящее время теория анализа данных, которая,  
в частности, используется и для разработки новых интернет-технологий, 
базируется на статическом статистическом анализе. Для этих целей применяются методы теории принятия решений при фиксированной выборке. 
Очень сложно, если вообще возможно, найти решённые задачи на основе 
динамического анализа (мониторинг в режиме реального времени) статистических данных. В основе решения таких задач лежат методы «последовательного анализа при принятии решения», которые рассмотрены ещё  
в сороковых–шестидесятых годах прошлого века А. Вальдом в рамках теории последовательного различения двух (и более) статистических гипотез. 
7 

Этой проблеме посвящён отдельный короткий раздел, который нацеливает 
на использование этих методов в системах мониторинга реального времени. Собственно методам принятия решений посвящено учебное издание 
авторов [72]. 
Два раздела пособия посвящены основным методам технической диагностики – виброакустическому и акустико-эмиссионному. Оба направления, формирующие методы, описаны в достаточно представительной научной и учебной литературе, однако сложно назвать всеобъемлющие и законченные труды по этим методам. Особенно это касается акустической эмиссии. По виброакустическому методу в литературе указаны наиболее значимые учебные и научные издания [16; 19; 55; 88]. По акустической эмиссии 
таких работ, к сожалению, найти не удалось. Может быть, именно поэтому 
данные методы относят к области «технического искусства». Хотя базовые 
знания в области статистической радиотехники, прикладной обработки сигналов и данных, теоретической механики, теории надёжности, материаловедения позволяют вполне успешно решать поставленные обоими методами задачи.  
Пособие по дисциплине «Теория и методы мониторинга и диагностики» соответствует государственным образовательным стандартам по направлениям магистратуры «Приборостроение», «Радиотехника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Конструирование  
и технология электронных средств», «Электроника и наноэлектроника», 
«Автоматизация технологических процессов и производств» (направленности «Киберфизические производственные системы», «Оптимизация и системы усовершенствованного управления технологическими процессами 
нефтепереработки, газо- и нефтехимии»). 
 
 
 
 
 
 
8 

1. ʝʠʜʝʑʜʪʔ ʞʝʜʮʡʗʮ  
ʡʔʤʜʗʦʔʠʙʝʘ ʓʗʏʒʜʝʠʡʗʙʗ  
ʗ ʛʝʜʗʡʝʟʗʜʒʏ 
 
Эффективность инженерной деятельности неразрывно связана с использованием терминов, понятий и определений, одинаково понимаемых 
всеми участниками процесса разработки, проектирования, производства  
и эксплуатации объектов, используемых в жизнедеятельности человека. 
Поэтому, прежде чем рассмотреть основные принципы и методы мониторинга, следует определить сущность понятий, используемых в этой отрасли 
знаний [76].  
Основные 
понятия 
технической 
диагностики 
определены 
в 
ГОСТ 20911–89 «Техническая диагностика. Термины и определения» [23] 
и ГОСТ Р 27.002–2015 [30] (взамен ГОСТ 27.002–89). 
Термин «диагностика» происходит от греческого слова «диагнозис», 
что означает распознавание, определение. 
Результатом диагностики устанавливается диагноз, т. е. определяется 
состояние, например, больного – медицинская диагностика, или состояние 
технической системы – техническая диагностика. 
Технический диагноз – это результат диагностирования (по ГОСТ 
20911), привязанный к определённому моменту времени. 
Технической диагностикой (ТД) называется наука о распознавании 
состояния технической системы. 
Техническая диагностика – это научно-техническая дисциплина, изучающая и устанавливающая признаки дефектов технических объектов, а 
также методы и средства обнаружения и поиска (указания местоположения) дефектов. Техническая диагностика изучает методы получения  
и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. 
Основной предмет ТД – организация эффективной проверки исправности, работоспособности, правильности функционирования технических объектов (деталей, элементов, узлов, блоков, заготовок, устройств, из9 

делий, агрегатов, систем, а также процессов передачи, обработки и хранения материи, энергии и информации), то есть организация процессов диагностирования технического состояния объектов при их изготовлении и 
эксплуатации, в том числе во время, до и после применения по назначению, 
при профилактике, ремонте и хранении. 
Техническая диагностика изучает методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия 
решений. Целью технической диагностики является повышение надёжности и ресурса технических систем. 
В общем виде задачу диагностирования допустимо рассматривать как 
двойственную: с одной стороны, как задачу построения характеристики 
класса состояний, которому принадлежит совокупный диагностический образ, и с другой – как задачу принятия решения о принадлежности к одному из классов состояний испытуемого диагностического образа. При этом следует учитывать, что увеличение числа зависимых диагностических признаков не способствует более полному описанию объекта 
диагностирования и надёжному распознаванию. 
Диагностика как наука о распознавании состояния технической системы определяет следующие основные задачи в области диагностирования состояния машинного оборудования: 
− контроль технического состояния, т. е. определение вида технического состояния. Видами технического состояния являются исправное  
и неисправное, работоспособное и неработоспособное и т. д.; 
− поиск места и определение причин неисправности; 
− прогнозирование технического состояния, в том числе определение 
состояния, в котором находилось оборудование в прошлом (генезис) и будет находиться в будущем (прогноз). 
Техническое диагностирование – определение технического состояния объекта, т. е. решение вышеуказанных задач технической диагностики. 
Термин применяют в наименованиях и определениях понятий, когда решаемые задачи технического диагностирования равнозначны или основной 
задачей является поиск места и определение причин отказа (неисправности). 
10