Rozmowa z dr. inż. Dariuszem Bernatowiczem, autorem rozprawy naukowej poświęconej opracowaniu sposobu diagnostyki złożonych obiektów technicznych

Jak zbudować system, który pozwoli najbardziej precyzyjnie ocenić stan złożonego obiektu technicznego? To pytanie, na które odpowiedź w swojej pracy badawczej stara się znaleźć dr inż. Dariusz Bernatowicz z Wydziału Elektroniki i Informatyki Politechniki Koszalińskiej. Przygotowana przez niego rozprawa naukowa, której efektem było uzyskanie stopnia doktora, nosiła tytuł: „Zastosowanie czterowartościowej oceny stanów w procesie diagnozowania cech eksploatacyjnych złożonych obiektów technicznych”.

Publiczna obrona rozprawy doktorskiej odbyła się w drugiej połowie czerwca br. na Wydziale Mechanicznym Politechniki Koszalińskiej, a promotorem był dr hab. inż. Stanisław Duer, prof. PK.

Z dr. inż. Dariuszem Bernatowiczem rozmawiamy o pracy naukowej.

– Pana droga zawodowa i naukowa dotyka wielu różnych dziedzin. Najpierw studia ekonomiczne, potem dyplom magistra inżyniera elektroniki, a następnie doktorat z inżynierii mechanicznej. To świadczy o wszechstronności zainteresowań.

– Ukończyłem ekonomię na Politechnice Koszalińskiej, bo bardzo interesował mnie rynek papierów wartościowych. Potem studiowałem na Wydziale Elektroniki i Informatyki i tu znalazłem zatrudnienie. Rozprawę doktorską przygotowywałem natomiast na Wydziale Mechanicznym. Ale tak chyba jest w nauce, że trudno zamknąć się w jednej, wąskiej specjalności.

Mojej pracy doktorskiej też nie da się zaklasyfikować do jednej, wybranej dziedziny. Ona jest interdyscyplinarna. Jej celem było zbudowanie oprogramowania do prowadzenia diagnostyki złożonych urządzeń i tu wykorzystywałem wiedzę informatyczną. Pierwsze stanowisko badawcze, czyli silnik samochodu, było zadaniem z zakresu mechatroniki. Prowadząc pomiary na drugim stanowisku, czyli w oparciu o małą elektrownię słoneczną, wkroczyłem natomiast w obszar elektrotechniki. W swojej pracy miałem też analizę sygnałów i dobór parametrów. A to już jest oddzielna dziedzina, czyli teoria sygnałów. Znajomość tych dziedzin wiedzy była więc niezbędna do realizacji badań.

– Czym zajmował się Pan w swojej rozprawie doktorskiej?

– Prowadzone przeze mnie badania dotyczyły tego, w jaki sposób gromadzić i przetwarzać informacje o stanie eksploatowanych obiektów technicznych, by móc np. w porę wykryć ich usterki.

Przy obecnym postępie technologicznym urządzenia techniczne zwane też obiektami są coraz bardziej skomplikowane. Składają się z coraz większej liczby elementów, które z kolei są zbudowane z zespołów funkcjonalnych, te natomiast są złożone z podzespołów. A ponieważ złożoność takich obiektów rośnie, potrzebujemy coraz większej liczby informacji, by je zdiagnozować, czyli ocenić ich stan. Przez wiele lat w ocenie stanu złożonych obiektów obowiązywała logika dwuwartościowa: ustalano, że obiekt był zdatny lub niezdatny do użycia. Na początku lat 90. XX wieku pojawiły się pierwsze prace dotyczące diagnostyki trójwartościowej: wprowadzono trzeci stan, pośredni między stanem zdatnym a niezdatnym. Opisywał niepełną przydatność obiektu i był w tym czasie nowatorską metodą.

Ja opracowałem logikę czterowartościową, wprowadzając dodatkowy, czwarty stan pozwalający uszczegółowić wiedzę o obiekcie. Utworzyłem komputerowy system diagnostyczny, który byłby przygotowany do realizacji procesu oceny stanu złożonych obiektów. Ten system ma w gruncie rzeczy postać programu komputerowego, który, porównując sygnał diagnostyczny z sygnałem wzorcowym, pozwala na bieżąco monitorować obiekt.

– Po co oceniać stan obiektu, który wciąż działa?

– Każdy obiekt techniczny ma ustalony czas życia i okres eksploatacji. Informacja o jego sprawności w różnych etapach pracy daje nam wiedzę o ewentualnych usterkach, a także o żywotności obiektu. Taka wiedza pozwala ocenić stan obiektu, zapobiec degradacji, ale też zaplanować działania naprawcze zwane też procesem odnowy.

Problem polega na tym, żeby ustalić, jaki proces odnowy jest potrzebny. W przypadku lekkich uszkodzeń, tzw. parametrycznych wystarczy obiekt wyregulować, zmienić nastawy itd. Przy uszkodzeniu krytycznym potrzebna jest wymiana jednego lub kilku elementów. Bywa jednak, że stan całego obiektu świadczy o jego zupełnym zdegradowaniu. Wtedy należy zaplanować jego wymianę.

W swojej pracy starałem się właśnie zbudować metodę, która pozwala ustalić w jakim stanie jest obiekt: czy występują w nim uszkodzenia parametryczne, czy też krytyczne.

W logice trójwartościowej ustalenie takich szczegółów nie było możliwe. Cały zakres od stanu pełnej zdatności do niezdatności mieścił się w jednym przedziale i był opisywany jednym stanem: „niepełnej zdatności”. Trudno było ustalić, z jakiego rodzaju uszkodzeniami mamy do czynienia. Poprzez wprowadzenie dodatkowego stanu zwiększyłem ilość uzyskiwanych informacji, co umożliwiało przygotowanie dokładniejszej diagnozy.

Teraz trwają już prace nad logiką pięciowartościową. Z pewnością będą też próby dotyczące logiki wyższej wartości. Trzeba pamiętać jednak o ograniczeniach. Z wprowadzaniem nowego stanu spada ilość uzyskiwanych informacji. Rośnie też koszt przygotowania programu diagnostycznego. Logika wyższej wartości może więc okazać się nieopłacalna.

– Jak przebiegały wykonywane przez Pana badania?

– Po opracowaniu teorii dotyczącej zastosowania czterowartościowej oceny stanu obiektu w procesie diagnozowania utworzyłem komputerowy system diagnostyczny. Składał się on głównie z toru pomiarowego w postaci systemu akwizycji, dwóch autorskich aplikacji do analizy danych (preprocessing) oraz realizacji procesu wnioskowania, a także diagnostycznej i pomiarowej bazy danych.

Przygotowałem też dwa różne stanowiska badawcze, które pozwoliły zweryfikować w praktyce postawione w pracy tezy. Wykorzystałem do tego urządzenia różnych klas, dzięki czemu mogłem zbadać, na ile opracowana przeze mnie diagnostyka jest uniwersalna. Pierwszym stanowiskiem był obiekt klasy mechatronicznej w postaci systemu sterowania silnikiem benzynowym o zapłonie iskrowym typu Motronik. Drugie stanowisko dotyczyło obiektu klasy elektrotechnicznej w postaci elektrowni słonecznej małej mocy. Badania potwierdziły skuteczność opracowanego systemu.

– Rozumiem, że te badania mają przełożenie na praktykę?

– Muszą mieć! Badania, których dotyczył mój doktorat mają zastosowanie w ocenie stanu maszyn i urządzeń. Mogą być też wykorzystywane np. w elektrotechnice, mechatronice, budownictwie.

Chodzi o uzyskanie obrazu, który po odpowiednim przetworzeniu cyfrowym pozwala uzyskać i interpretować informacje z wielu sygnałów o dowolnej liczbie parametrów. Sygnały mogą być pozyskiwane w postaci jednowymiarowych charakterystyk czasowych i częstotliwościowych, obrazów dwuwymiarowych oraz trójwymiarowych scen. Przykładowo, w budownictwie sygnały (obrazy) uzyskane za pomocą skaningu laserowego oraz termicznego umożliwiają zlokalizowanie pęknięć na ścianach budynku.

System może zostać też wdrożony w naukach medycznych. W tym przypadku do oceny może służyć np. obraz 3D z wieloma parametrami stanu zdrowia. Dopiero kompleksowa ocena informacji uzyskiwanych w ramach diagnostyki może pozwolić na znalezienie przyczyny problemów medycznych. Im więcej będzie parametrów pozwalających na zdobycie informacji, tym stawiana diagnoza będzie dokładniejsza.

– Takie badania są prowadzone w świecie?

– Tak, są dość szeroko rozpowszechnione. Kojarzą się przede wszystkim z oceną stanu technicznego – diagnozą – złożonych obiektów technicznych, zwłaszcza z pojazdami autonomicznymi – samochodami, samolotami, dronami itp. W krótkim przedziale czasu wpływają na procesy decyzyjne, a w dłuższym wspierają zagadnienia prognozowania, monitorowania i genezowania stanu obiektu oraz jego podzespołów.

– Doktorat zamyka ważny dla Pana etap badań. Jakie ma Pan kolejne plany naukowe?

– Chcę skupić się na dalszej pracy dotyczącej zagadnień poruszanych w rozprawie doktorskiej, w szczególności wykorzystania sztucznej inteligencji w wielowartościowych inteligentnych systemach diagnostycznych pozwalających na uzyskanie dokładniejszej diagnozy stanu eksploatacyjnego złożonych obiektów technicznych. Dotyczy to głównie trzech kierunków rozwoju: modelowania funkcjonalno-diagnostycznego obiektu, implementacji i testowania zaawansowanych algorytmów wnioskowania oraz optymalizacji wydajności procesu w postaci dekompozycji zadania w kierunku przetwarzania równoległego lub rozproszonego.

Zastosowanie sztucznej inteligencji umożliwia nie tylko opracowanie modelu neuronowo-rozmytego realizowanego procesu wnioskowania, ale również wyznaczenie diagnostycznej bazy wiedzy dla systemu eksperckiego. Taki system gromadziłby i analizował informację diagnostyczną o eksploatowanym obiekcie, pozwalając ocenić jego sprawność – stan obiektu – oraz zlokalizować miejsce (element) ewentualnej usterki. Podawałby przy tym jej przyczynę. Podjęcie odpowiedniej decyzji dotyczącej procesu odnowy poszczególnych podzespołów obiektu umożliwia zwiększenie czasu jego eksploatacji oraz zmniejszenie kosztów ewentualnych napraw (czynności wyregulowania zamiast wymiany poszczególnych podzespołów).

Efektem omawianej pracy był grant badawczy, w ramach którego utworzono system ekspercki diagnozujący stan pracy elektrowni wiatrowej i głównego punktu odbioru energii (GPO). System powstał w oparciu o dane z komercyjnej farmy wiatrowej działającej w województwie zachodniopomorskim.

Projekt będzie rozwijany na bazie urządzeń hybrydowych (elektrownie solarno-wiatrowe) w przyznanym, kolejnym grancie.

Rozmawiał: Jarosław Jurkiewicz

Fot. Adam Paczkowski/Politechnika Koszalińska