Способ оперативного анализа состояния многопараметрического объекта

 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для анализа функционального состояния многопараметрического объекта. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Способ основан на построении цветокодовой матрицы-диаграммы состояний, строки которой соответствуют номерам динамических параметров структурных элементов исследуемого объекта, столбцы - заданным временным интервалам, а цвет (цветовой код) - соответствующему идентифицированному классу устойчивости структурных элементов. 3 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных автоматизированных и экспертных системах анализа (распознавания, диагностики, идентификации, контроля) технического и функционального состояния изделий авиационной и космической промышленности.

Известно устройство контроля исправности объекта [1], принцип функционирования которого заключается в измерении разностного времени текущих ситуаций, когда сигнал с выхода объекта и его производная имеют разные или одинаковые знаки. Если время, в течение которого знаки разной полярности больше, чем время, когда они одинаковые, то сигнал считается асимптотически устойчивым, в противном случае - неустойчивым.

Устройство обеспечивает оценку устойчивости текущих значений (состояния) сигнала, с помощью которого наблюдается (контролируется) текущее состояние одномерного объекта. Вместе с тем, предлагаемое устройство не позволяет проводить оперативный анализ состояния многопараметрического объекта по данным об устойчивости его структурных элементов. Следовательно, не удается оценивать последовательность и характер изменения состояния многопараметрического пространства параметров, которое для динамических объектов постоянно изменяется. Кроме того, разностное время ситуаций, когда сигнал с выхода объекта и его производная имеют разные и одинаковые знаки, в [1] оценивается от начала и до конца функционирования объекта, что для сложных многопараметрических объектов не всегда является верным. Так как внешние условия, при которых многопараметрический объект начинает и заканчивает свое функционирование, могут коренным образом отличаться друг от друга, и сам многопараметрический объект может коренным образом изменяться. Например, для летательных аппаратов характерно изменение и веса, и размеров, и формы, в результате чего потеря устойчивости многопараметрическим объектом будет определяться с большим запаздыванием.

Известен способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта диагностики по данным измерительной информации [2]. Способ позволяет проводить диагностику состояний многопараметрического объекта посредством допусковых оценок технического состояния, составляющих объект структурных элементов. Причем допусковые оценки определяются разработчиками субъективно, с большим запасом, часто без учета совместной работы одних структурных элементов с другими. В результате функционирование структурных элементов может соответствовать всем допускам, но быть неустойчивым, а неустойчивость - первый признак аномального функционирования. Так как анализ устойчивости в прототипе [2] не осуществляется, то реальная картина функционирования структурных элементов, а через них и всего многопараметрического объекта диагностики значительно искажается.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта по данным телеметрической информации [3]. Предлагаемый способ позволяет оперативно обнаружить источники возмущений и места их возникновения в контролируемых (телеметрируемых) многопараметрических объектах. Вместе с тем способ не позволяет оценить интегральное состояние многопараметрического объекта по данным об устойчивости функционирования его структурных элементов.

Цель изобретения - оперативное представление и анализ текущих значений устойчивости структурных элементов многопараметрического объекта, отображаемых множеством динамических параметров с определением последовательности и характера изменения состояния многопараметрического объекта в целом.

Цель достигается реализацией заявляемого способа оперативного анализа состояния многопараметрического объекта за счет одновременной обработки и наглядного визуального представления всей информации или определенной ее части (об устойчивости функционирования составляющих объект структурных элементов) в виде когнитивной цветокодовой матрицы-диаграммы для оператора-аналитика, который является элементом соответствующей автоматизированной (экспертной, ситуационной) системы анализа (распознавания, диагностики, идентификации, кластер-анализа, контроля) состояния многопараметрического объекта.

Способ, таким образом, позволяет обеспечить наглядное визуальное представление текущих значений устойчивости структурных элементов многопараметрического объекта на экране многоцветного видеомонитора и оперативно (в реальном масштабе времени) определять характер изменения его состояния. Все это в комплексе обеспечивает сокращение сроков анализа состояния многопараметрического объекта в различных прикладных областях деятельности.

Сущность способа состоит в том, что с целью обеспечения оперативного анализа состояния многопараметрического объекта проводится оперативное преобразование и представление на экране многоцветного видеомонитора результатов оценки текущих значений параметров в соответствующие информационные цветокодовые сигналы видимого спектра с обобщением по всему множеству параметров в заданном временном интервале. При этом в качестве параметров используют динамические параметры и их производные, несущие информацию об устойчивости функционирования структурных элементов многопараметрического объекта, в качестве критериев устойчивости функционирования структурных элементов используют критерии Ляпунова, а в качестве результатов оценки используют идентифицированные классы устойчивости структурных элементов (четкие устойчивые, четкие неустойчивые и классы нечеткой устойчивости).

Операцию преобразования осуществляют путем формирования соответствующего информационного цветокодового сигнала видимого спектра в зависимости от результатов оценки устойчивости текущего значения динамического параметра с последующим отнесением его к одному из указанных выше классов состояний и обобщением по всему множеству динамических параметров на заданном временном интервале, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством цветокодовой матрицы-диаграммы состояний, строки которой соответствуют номерам динамических параметров (структурных элементов), столбцы - заданным временным интервалам, а цвет (цветовой код) - соответствующему идентифицированному классу устойчивости структурных элементов, определяют последовательность изменения устойчивости структурных элементов и характер изменения интегрального состояния многопараметрического объекта по всему множеству структурных элементов, отображаемых соответствующими динамическими параметрами.

Новизна предлагаемого способа по сравнению с прототипом и известными способами представления и анализа состояния многопараметрического объекта заключается в том, что разработана логическая последовательность действий по представлению и анализу устойчивости структурных элементов, а через них и всего многопараметрического объекта в целом, которая приводит к достижению поставленной цели изобретения.

Таким образом, совокупность существенных признаков, приводящая к требуемому результату в патентной и научно-технической литературе, не обнаружена, что говорит об "изобретательском уровне" предлагаемого технического решения.

Сущность предложенного способа проиллюстрируем для многопараметрических пространств состояний многопараметрического объекта.

Пусть многопараметрический объект состоит из некоторого множества структурных элементов, каждый из которых наблюдается (контролируется) соответствующим измерительным параметром. Очевидно, что работоспособное состояние многопараметрического объекта определяется устойчивостью функционирования каждого его структурного элемента.

Традиционно, для качественного исследования устойчивости систем, без решения соответствующих им дифференциальных уравнений, используются известные методы русского математика Ляпунова, разработанные им в 1892 году. Под критериями устойчивости Ляпунова понимают математически сформулированные правила, позволяющие по виду уравнения, описывающего состояния объекта, сделать заключение о его устойчивости. В качестве критериев устойчивости функционирования структурного элемента в данном случае используют условия изменения сигнатуры произведения Определим в качестве таких критериев следующие условия: 1) при g_n(X, t)<0 имеем устойчивое функционирование n-го структурного элемента; 2) при g_n(X,t)>0 имеем неустойчивое функционирование; 3) при g_n(X,t)=0 структурный элемент функционирует на границе устойчивости.

Считается, что приведенные условия (1-3) являются достаточными и необходимыми условиями для объектов (элементов) первого порядка.

Оценку устойчивости функционирования в границах временного интервала предлагается осуществлять по принципу "следящего окна". То есть, если устойчивость функционирования структурного элемента определялась в [1] в виде выражения (1) где T_n - время его контроля; - знак произведения величин - выходной сигнал структурного элемента и его производная, то в предлагаемом изобретении каждый i -тый такт (например: 1 такт = 32 мс) оценки меняет пределы интегрирования, в результате чего получим выражение (2)

которое позволяет оперативно оценивать устойчивость функционирования n-го структурного элемента, а через него и всего многопараметрического объекта в реальном масштабе времени. Для определения временных интервалов, в границах которых контролируется устойчивость, каждый структурный элемент необходимо предварительно представить в виде соответствующей ему системы последовательно соединенных динамических звеньев, затем построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАХ) системы, для чего необходимо:
- выделить в системе типовые динамические звенья;
- построить ЛАХ типовых звеньев;
- провести суммирование полученных ЛАХ;
- построить результирующую ЛАХ системы в виде графика, где по оси ординат отсчитывается амплитуда Н (ω) в децибелах (дБ), а по оси абсцисс - логарифм частоты lg (ω).

Точка пересечения результирующей ЛАХ с осью абсцисс позволит получить частоту ω, обратная величина которой равна
Интервал от нуля до Т и есть требуемый временной интервал анализа для конкретного n-го структурного элемента (фиг.1).

Предлагаемый способ позволяет по устойчивости функционирования структурных элементов в реальном масштабе времени проводить анализ, контроль и оценку состояния многопараметрического объекта с неограниченным количеством датчиков (параметров), оперативно и точно идентифицируя (распознавая) состояние аномального структурного элемента или множества аномальных структурных элементов.

На фиг. 2а) приведено традиционное представление графиков изменения g_n (x, t), описывающих устойчивость функционирования структурных элементов, отображаемых соответствующими динамическими параметрами (сигналами). Например, установленные на многопараметрическом объекте измерительные датчики оценки устойчивости n=1,2,... формируют соответствующие динамические параметры, представляющие после получения от них производных в общем виде графики изменения g_n (x, t).

В основе способа положен переход от традиционного описания и представления функций g_n (X, t) к цветокодовым функциям. В этом случае алгоритм оперативного анализа состояния многопараметрического объекта сводится к цветокодовому представлению и анализу многомерного пространства - состояний устойчивости структурных элементов (динамических параметров), описываемого в виде цветокодовой матрицы-диаграммы

где Fⁿ (t_i) - упорядоченная совокупность информационных полей динамических параметров (устойчивости структурных элементов), на каждом из которых представляется последовательно во времени цветокодовая информация видимого спектра z(g_n), соответствующая определенному текущему значению g_n(X,t) устойчивости, t_i - характерные временные координаты.

На фиг. 2б) приведен пример цветокодового представления текущего состояния устойчивости N структурных элементов многопараметрического объекта.

Выбор совокупности структурных элементов, шкалы цветокодирования и задание нужной гаммы цветов осуществляется оператором-аналитиком по его желанию в зависимости от характера и особенностей решаемой задачи.

Анализ рассматриваемых представлений (фиг.2б), раскрывающих суть предлагаемого способа, позволяет оперативно определять характер изменения устойчивости структурных элементов, наблюдаемый по каждому динамическому параметру, а также оперативно оценить последовательность и характер изменения интегрального состояния многопараметрического объекта в целом по всему множеству динамических параметров, в том числе:
оперативно (в реальном масштабе времени) оценить последовательность выхода структурных элементов за пределы устойчивости и их корреляционную зависимость во времени по каждому динамическому параметру или по любой группе динамических параметров многопараметрического объекта в целом на исследуемых временных интервалах (например, с t₄-го момента времени (фиг.2б) наблюдаем последовательную потерю устойчивости функционирования 1, 2 и 3-го структурных элементов); по динамическому n-му параметру наблюдаем периодические потери устойчивости, что представляется чередованием соответствующих цветов на цветокодовой матрице-диаграмме;
оценить характер изменения устойчивости (например, массовый (по большому множеству структурных элементов), незначительный (по небольшому множеству структурных элементов), одиночный и т.д. по любой группе динамических параметров многопараметрического объекта в целом на рассматриваемом интервале времени;
оценить взаимовлияние степени потери устойчивости структурных элементов, отображаемых динамическими параметрами во времени (по мере потери устойчивости) и в пространстве (с учетом топологии распределения структурных элементов многопараметрического объекта.

Таким образом, способ позволяет обеспечить оперативное представление и анализ текущих значений устойчивости структурных элементов с определением последовательности и характера потери устойчивости интегрального состояния многопараметрического объекта в целом по всему множеству наблюдаемых (контролируемых) динамических параметров (структурных элементов). Все это в комплексе обеспечивает сокращение сроков обработки и анализа состояния многопараметрического объекта для информационной поддержки принятия решений оператором-аналитиком при анализе информации.

Предлагаемый способ может быть реализован в системах диагностики и распознавания, в различных ситуационных центрах и центрах диагностики по оценке технического и функционального состояний многопараметрических объектов.

Литература
1. Буймов М. Е., Карпов Ю.В. Утробин Г.Ф. Устройство для контроля исправности объекта. Авторское свидетельство на изобретение 1495817 от 22.03.89.

2. Омельченко В. В., Щербаков О.Ю. и др. Способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта по данным измерительной информации. Патент РФ на изобретение 2125294 // Б.И. 2, 1999 г.).

3. Омельченко В.В., Засухин Е.А. и др. Способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта по данным телеметрической информации. Патент РФ на изобретение 2099792// Б.И. 35, 1997 г.

Формула изобретения

Способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта диагностики по данным измерительной информации, заключающийся в преобразовании информационных сигналов посредством матрицы, строки которой соответствуют номерам динамических параметров структурных элементов, а столбцы - заданным временным интервалам, и определении эпицентра локального возмущения по цветокодовому сигналу наибольшей величины из всех информационных сигналов на заданном временном интервале, отличающийся тем, что в качестве параметров используют динамические параметры и их производные, несущие информацию об устойчивости функционирования структурных элементов многопараметрического объекта, в качестве критериев устойчивости функционирования структурных элементов используют критерии Ляпунова, в качестве результатов оценки используют идентифицированные классы устойчивости структурных элементов (четкие устойчивые, четкие неустойчивые и классы нечеткой устойчивости), операцию преобразования осуществляют путем формирования соответствующего информационного цветокодового сигнала видимого спектра в зависимости от результатов оценки устойчивости текущего значения динамического параметра с последующим отнесением его к одному из указанных выше классов, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством цветокодовой матрицы-диаграммы состояний, строки которой соответствуют номерам динамических параметров структурных элементов, столбцы - заданным временным интервалам, а цвет (цветовой код) - соответствующему идентифицированному классу устойчивости структурных элементов, далее по цветокодовой матрице-диаграмме определяют изменение устойчивости структурных элементов и характер потери устойчивости интегрального состояния многопараметрического объекта в целом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2