Сложный инженерный объект

Ложка является инженерным объектом. Но не является сложным инженерным объектом. Почему? Есть ряд основных признаков. Прежде всего, ложка не имеет структуры, составных компонент, даже первого уровня. И она выполняет свою функцию (использоваться при еде и приготовлении пищи) в едином процессе, без выделения подпроцессов и подфункций. Наконец, ложка практически не обслуживаема весь период своего существования с момента изготовления. Итак, мы рассмотрели простой инженерный объект и его свойства.

Теперь давайте подробнее обсудим понятие сложного инженерного объекта. Начнем с примеров. Например, сложными инженерными объектами, с которыми мы часто имеем дело, являются автомобили. В этой же логике – самолеты. Но если говорить про транспортные системы, в ней есть сложные инженерные объекты и другого типа. Например, это комплекс объектов железной дороги – железнодорожная дистанция, например, Москва-Тверь.

Она является единым объектом, выполняет единую целевую функцию, организована на базе инженерной деятельности, и в ее состав входят многие инженерные объекты и системы. Рельсовые пути с насыпями, силовая контактная сеть, силовые подстанции, системы диагностики и автоматики, подвижной состав, информационные системы инженерных и диспетчерских служб, системы связи и оповещения – и это далеко не полный комплекс. Аналогично, в авиации СИО является аэропорт в целом – а отдельные авиалайнеры при такой точке зрения являются его временными элементами. На этом примере хорошо видно, что отдельные компоненты СИО сами могут быть сложными инженерными объектами.

Верхний уровень сложности – это сложные производственные объекты. Например, атомная электростанция, металлургическое, машиностроительное или нефтехимическое предприятие. Этот класс СИО занимают значительную площадь, содержат внутри себя десятки (а иногда и сотни) зданий сооружений, объединенные в единый комплекс. И, что важно, имеют чрезвычайно высокую концентрацию разнородных инженерно-технических систем в своем составе (производственных систем, оборудования, инженерных коммуникаций, информационных систем, систем безопасности и иных элементов).

Инженерные системы городского хозяйства, например, система водоснабжения крупного (или даже не очень) города. Такая система включает водозаборы, систему водоочистки и обеззараживания, насосные станции, трубопроводы (магистральные и локальные) и многое другое.

Ну чтобы посмотреть на верхний уровень сложности – это сложные производственные объекты. Например, атомная электростанция, металлургическое, машиностроительное или нефтехимическое предприятие. Этот класс СИО занимают значительную площадь, содержат внутри себя десятки (а иногда и сотни) зданий сооружений, объединенные в единый комплекс. И, что важно, имеют чрезвычайно высокую концентрацию разнородных инженерно-технических систем в своем составе (производственных систем, оборудования, инженерных коммуникаций, информационных систем, систем безопасности и иных элементов).

Этот пример, который иллюстрирует понятие «сложный инженерный объект», в некотором смысле – противовес стартовому примеру с ложкой. Давайте обсудим поподробнее существенные черты и характеристики именно сложных инженерных объектов. Как мы отмечали, ложка выполняет всего одну функцию и внутренних встроенных функций/подфункций она не имеет. Если же мы рассмотрим СИО – хотя бы относительно простой, то интегральных функций у него небольшое количество (часто одна). Для автомобиля это перемещения людей и грузов, для электростанции – выработка электроэнергии (иногда еще и тепловой энергии), потребляемой промышленными и гражданским объектами, а также конечными пользователями (людьми). Но если мы опустимся на уровень ниже, мы видим, что для обеспечения этой основной функции происходит выполнение большого количества локальных функций. Сложная иерархия обеспечивающих функций отдельных подсистем – это первый признак, определяющий инженерный объект как «сложный».

Следующий аспект – это то, что СИО состоит из многих компонент, причем часть этих компонент являются сами по себе сложными инженерными объектами. Если мы рассмотрим автомобиль, то в его составе можно выделить, например, двигатель, топливную систему (поставляющую горючее в двигатель), систему передачи крутящего момента от двигателя к колесам (коробка передач, карданные валы и другие элементы), тормозную систему, конструктивные элементы (несущий корпус автомобиля или рамные конструкции и ряд других. Аналогично, если обсуждать производственный объект, например, систему городского водоснабжения, то она включает большой набор производственных подсистем – водозабор из естественных водоемов или скважин, систему химводоочистки, насосные станции, котлы нагрева ГВС, магистральные водопроводы, трубопроводы и иное инженерное оборудование конечных потребителей, запорно-регулирующую аппаратуру, системы КИПиА, цифровые продукты сбора, накопления и обработки информации о функционировании СИО. Таким образом, мы видим, что существенными чертами сложных инженерных объектов является структурирование. То есть они, как минимум, внутри себя имеют подсистемы и компоненты. А зачастую эти отдельные подсистемы сами являются сложными инженерными объектами.

Таким образом мы можем качественно выделить класс сложных инженерных объектов. Конечно, тут возникает вопрос, где проходит точная граница. Ответ на него, что называется, из области искусства. С какого количества камней начинается куча? Строгого ответа нет, но в большинстве случаев на общекультурном уровне провести эти границах можно, и достаточно уверенно классифицировать инженерно-технический объект как сложный инженерный, или, без приставки «сложный» – изделие ручного ремесленного труда, произведение искусства или природный объект.

Поговорим подробнее про иерархию компонент сложных инженерных объектов. Она следует из иерархии и взаимосвязи функций этих компонент, способа их интеграции в общую функцию объекта. Для того, чтобы индивидуализированная транспортная единица могла выполнять целевую функцию (перевозку людей и грузов), должны быть обеспечены функции производства энергии в ходе поездки (двигательная система), управляемость движения (рулевая и тормозная системы), обеспеченность транспортного средства энергией (топливная система или аккумуляторы), функция передачи усилий на колеса (коробка передач) и целый ряд других.

Выполнение этих функций может быть достигнуто путем различных (конкурирующих) инженерно-технических решений. Например, двигатели могут быть на жидком топливе (причем нескольких типов) или электрическими. При этом технические решения для взаимодействующих систем, естественно, должны быть совместимыми. Электродвигатель потребует в качестве питания аккумулятор, а ДВС – бензобак. Таким образом можем разложить нашу генеральную функцию на множество составляющих, обеспечивающих ее функций. Причем это разложение неоднозначным образом.

Например, существуют различные варианты промышленного оборудования, выполняющие сходные наборы функций – в моноблочном исполнении, когда ряд функций выполняет одна комплексная установка, или когда их же выполняет набор устройств. Могут быть разные комплектации для сходных объектов – например, для типовой электростанции, жилого или промышленного здания, автомобиля, судна, самолета. Причем это может касаться как технических параметров – мощности, скорости, глубины переработки, параметров очистки. А может – потребительских свойств, комфорта пользователей или даже внешнего вида, эстетики.

В случае, когда базовый проект единый, а изделия отличаются деталями, выбираемыми пользователями – говорят про «кастомизацию» инженерно-технических изделий, то есть адаптацию к выбору пользователей. Это может проявляться как для изделий индивидуального пользования (автомобили, компьютеры, мобильные телефоны), так и для систем промышленного назначения. Например, для систем водоснабжения населенных пунктов. Основные функции в таких системах аналогичны (водозабор, водоочистка и обеззараживание, нагрев для целей ГВС, водораспределение, контрольно-измерительная система), но сами инженерные решения могут существенно различаться, сама техническая реализация функции может обеспечиваться разными конфигурациями оборудования – по составу, по принципу действия, по параметрам. Понятно, что снабжать водой город на десять тысяч человек требует гораздо более упрощенного решения, чем города-миллионники или такие громады как Москва, Нью-Йорк или Мехико. Хотя размер – не единственный параметр. Обоснованием различной инженерной архитектуры может выступать и цена, и надежность, и условия эксплуатации, и совместимость оборудования, и даже эстетические предпочтения проектировщика.

Обсудим еще один существенный аспект сложных инженерных объектов, а именно – функционально балансовый подход к проектированию, инженерному обеспечению и работе всего сложного инженерного объекта. Оказывается, что и весь объект в целом, и входящие в его состав подсистемы можно описывать на языке функционально-балансового подхода. На примере автомобиля: отдельные агрегаты, устройства и системы (состоящие из ряда компонент) выполняет определенную функцию. Тормозная система может быть реализована в большом числе вариантов. От простейшей одноконтурной гидравлической системы с педалью тормоза, управляемой водителем – до сложных автоматизированных систем с радарами и компьютерами. Есть тормоза гидравлические, пневматические, электрические, механические. Функционально они схожи. Конструктивно, инженерно – различны. Но, кроме конструкции, они имеют разницу в балансе с окружающей средой и внутри СИО.

Для обсуждения балансового подхода к описанию СИО лучше подходят системы с интенсивным обменом с окружающей средой.

Рассмотрим двигательную установку. Мы говорили, что они могут быть разных типов. Например, двигатели внутреннего сгорания, твердотопливные, паровые или электрические. Выполняя сходные функции, они имеют совершенно разные потоки обмена с окружающей средой. Современный ДВС берет жидкое углеводородное топливо из топливной системы, кислород из окружающего воздуха – а выбрасывает продукты горения, в основном водяной пар и углекислый газ. Твердотопливный двигатель (например, двигатель паровоза) расходует уголь и кислород, выбрасывает углекислый газ из камеры сгорания.

Но, кроме этого, расходует жидкую воду и выбрасывает ее в окружающую среду в виде пара (кстати, пробег паровоза ограничен именно запасом воды, а не топлива). Электрический двигатель потребляет электроэнергию, а материальный баланс, обмен веществом с внешней средой практически отсутствует. Но, кроме материального баланса, есть баланс энергетический. Двигатель любой конструкции отдает полезную механическую энергию на другие системы СИО. Кроме того, поскольку КПД не 100%, рассеивает значительную долю выработанной энергии на нагрев окружающей среды, иногда – в виде электромагнитных волн. Наконец, датчики и приборы двигательной установки, а также органы управления формируют входящие и исходящие потоки информации.

Итак, существенной характеристикой сложного инженерного объекта является баланс потоков, им порождаемых. Мы будем выделять материальный баланс (обмен вещества), энергетический баланс и информационные потоки. Интересно обратить внимание, что для балансов материальных потоков и потоков энергии выполняются законы сохранения, а для информационных потоков это требование отсутствует. Работа, функционирование СИО порождает информацию. Причем ее объемы зависят от режимов наблюдения – информацию могут фиксировать и операторы, и системы датчиков. И отражается эта информация и в сфере человеческих коммуникаций (описания, отчеты), и в цифровой сфере данных (файлы данных, протоколы).

Если говорить про функционирование и вообще про жизненный цикл сложного инженерного объекта, коротко обозначим, что на разных стадиях мы реализуем различные инженерно-технические функции, выполняем разные действия с одним и тем же объектом.

Сначала мы проектируем (автомобиль или нефтеперерабатывающий завод), потом мы его строим, изготавливаем, сооружаем. На следующей стадии – эксплуатируем, пользуемся (и при этом обслуживаем и поддерживаем). Затем – демонтируем и утилизируем, выводим из эксплуатации.

Инженерные действия, инженерные функции, содержание инженерных процессов на каждой стадии различны. Тем не менее мы имеем на всех этапах состав и регламент инженерных действий. Мы выполняем их для нормального и отклоняющегося состояния систем. Описываем и производим их для объекта в целом и разных его подсистем, элементов, узлов, единиц оборудования. Все они имеют определенные режимы работы, за которыми мы следим – или пользователи, или персонал, или автоматика. Они имеют определенные режимы обслуживания и функционирования, требуют определенных технические действий.

Соответственно, когда мы говорим про инженерно-технический подход к функционированию на всем жизненном цикле сложного инженерного объекта, мы получаем сложные наборы регламентов. Важно иметь нормативно-технические требования, зафиксированные в проектной и эксплуатационной документации, то есть описание тех действий, которые мы должны выполнять и те параметры, которые мы должны фиксировать и контролировать. Эта деятельность порождает потоки информации, которые мы получаем в ходе жизненного цикла сложного инженерного объекта.

Последнее, что мы зафиксируем  – существование подхода системного анализа к сложным инженерным объектам. Оказывается, что все сложные системы имеют общие закономерности функционирования. Это достаточно нетривиально, потому что они относятся к разным отраслям промышленности, используют разные технологии, имеют разные и масштабы. И даже выглядят по-разному. Сравните небольшой автомобиль, громадный завод, авиалайнер, аэропорт, система инженерного обеспечения города. А существуют они и функционируют, исходя из одних и тех же закономерностей.

Материалы по теме: Расшифровка вебинара «Цифровой инжиниринг и цифровой инженер».