Способ оптимизации структуры устройства

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при проектировании устройств неразрушающего контроля, оценки и прогнозирования состояния объектов, конструкций и инженерных сооружений в течение всего периода их эксплуатации. Технический результат изобретения, состоящий в оптимизации структуры устройства, достигается за счет способа оптимизации структуры устройства. Изобретение уменьшает энергопотребление устройства и/или стоимость путем сокращения структурной избыточности. Указанная задача решается путем представления устройства в виде графа и поиска на нем кратчайших путей по выбранному критерию оптимизации, учитывающему энергопотребление и/или стоимость функциональных элементов. 7 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при проектировании устройств неразрушающего контроля, оценки и прогнозирования состояния объектов, конструкций и инженерных сооружений в течение всего периода их эксплуатации.

Например, для прогнозирования возникновения наледи на дорогах Федеральным дорожным агентством предписано производить измерения следующих параметров метеорологических условий и состояния поверхности дорожного покрытия [Распоряжение Федерального дорожного агентства от 25 ноября 2009 г. №493-р, «Об издании и применении ОДМ 218.28.003-2009 ″Методические рекомендации по специализированному прогнозу состояния дорожного покрытия″]: температуры и относительной влажности воздуха, температуры поверхности дорожного покрытия и под ней на глубине 4-7 см, влажности поверхности дорожного покрытия и др. Определение температуры и относительной влажности воздуха осуществляется с помощью автоматических дорожных метеорологических станций, расположенных рядом с дорогой. Параметры состояния дорожного покрытия определяются беспроводными датчиками с автономным питанием, устанавливаемыми в верхний слой дорожного полотна.

Известен способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений и устройство для его осуществления (патент РФ №2247958, G01M 5/00, 2003), заключающийся в том, что на пункте контроля регистрируют сигналы с блоков измерения, установленных в местах диагностирования конструкций, и сравнивают их с заранее зафиксированными значениями. При этом блоки измерения устанавливают на элемент конструкции, изготовленный из того же материала, что и вся конструкция. Проводят метрологическую аттестацию элемента конструкции путем установления зависимостей между сигналами с блоков измерения и калиброванными внешними воздействиями, регистрируют их на пункте контроля и используют в качестве заранее зафиксированных сигналов. Врезают элемент с установленными на нем блоками измерения в места диагностирования конструкции и по отклонению поступивших сигналов с блоков измерения от заранее зарегистрированных сигналов судят о состоянии конструкции. Устройство содержит пункт контроля, блоки измерения, размещенные в местах диагностирования конструкции, преобразователи, линию связи, контроллер. Причем блоки измерения размещены на метрологически аттестованном элементе конструкции, изготовленном из того же материала, что и вся конструкция, и врезанном в места диагностирования конструкции. Элемент конструкции соединен с соответствующими преобразователями, связанными своими выходами с входом контроллера, подключенного к модему, который через линию связи своим выходом соединен с пунктом контроля.

В известных технических решениях одними из основных элементов являются блоки измерения и преобразователи, в качестве которых используются датчики деформации, линейных сдвигов, давления, вибраций, температуры, влажности, расхода и т.д. При этом преобразователи основаны на различных физических принципах. Их основными недостатками являются высокое энергопотребление и низкая надежность.

Высокое энергопотребление связано с наличием источников питания (батарей и аккумуляторов) и работой датчиков и преобразователей в непрерывном режиме. Поскольку процесс, например, снижения температуры дорожного полотна очень медленный и только в экстренных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы известных способа и устройства позволяет задавать интервалы опроса блоков измерения от 5 секунд до 1 месяца. В большинстве случаев для мониторинга состояния дорожного покрытия достаточно 1-2 измерений в сутки. Низкая надежность известных блоков измерений и преобразователей связана с надежностью источников питания и с необходимостью их регулярной замены. Как правило, продолжительность работы любого источника питания не превышает нескольких недель.

Известен способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений (патент РФ 2471161, G01M 7/00, 2012), заключающийся в том, что на пункте контроля регистрируют сигналы с блоков измерения, установленных в местах диагностирования конструкции. Их сравнивают с заранее зафиксированными значениями и по отклонению поступивших сигналов от заранее зафиксированных судят о наличии изменений контролируемых параметров. При этом изготавливают элемент конструкции из того же материала, что и вся конструкция. На нем размещают блоки измерения, проводят метрологическую аттестацию элемента с размещенными на нем блоками измерения путем установления зависимостей между сигналами с блоков измерения и калиброванными внешними воздействиями. Эти зависимости регистрируют на пункте контроля и используют их в качестве заранее зафиксированных сигналов. Элемент врезают с установленными на нем блоками измерения в места диагностирования конструкции и по отклонению поступивших сигналов с блоков измерения от заранее зарегистрированных сигналов судят о состоянии конструкции. При этом блоки измерения и преобразователи выполняют в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах. На контроллере последовательно формируют m гармонических колебаний на разных несущих частотах, облучают ими линии задержки, настроенные на m несущие частоты. На каждой линии задержки электромагнитное гармоническое колебание преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение. Отраженную акустическую волну преобразуют в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, которая отражает порядковый номер линии задержки и величину контролируемого параметра. Сложный сигнал с фазовой манипуляцией излучают в эфир, принимают на контроллере, осуществляют синхронное детектирование, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее порядковому номеру линии задержки и фазовому сдвигу, соответствующему внешнему воздействию, и направляют его в микропроцессор с запоминающим устройством, в котором производят расчет и преобразование поступившей информации.

Данный способ по сравнению с другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений, например, потенциально-опасных участков трубопроводов, в течение всего периода их эксплуатации. Это достигается за счет снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков, которые являются одним из основных элементов устройства, реализующего предлагаемый способ. Основной особенностью датчиков в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах являются малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов). Однако их применение значительно усложняет устройство, реализующее указанный способ, - в схему устройства добавляются последовательно включенные синхронизатор, синтезатор несущих частот, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилитель высокой частоты и фазовый детектор. Кроме того, включение в схему дополнительных элементов и линий задержки на поверхностных акустических волнах увеличивает стоимость устройства дистанционного контроля и диагностики состояния в целом.

С учетом необходимой периодичности измерений и однотипности функциональных элементов устройств дистанционного контроля и диагностики состояния (фиг.1) возможно для сокращения структурной избыточности таких устройств использовать одни и те же функциональные элементы в нескольких измерительных схемах (схемах измерения нескольких параметров), осуществляя их последовательную коммутацию. Следствием сокращения структурной избыточности устройств является снижение их энергопотребления и стоимости.

Таким образом, в качестве критерия оптимизации структуры устройства может выступать энергопотребление, стоимость или обобщенный показатель, определяемый методом идеальной точки:

$$k_{ij}=\sqrt{{\left(E_{ij}^{норм}-E_{ij}^{ид}\right)}^2+{\left(S_{ij}^{норм}-S_{ij}^{ид}\right)}^2+{\left(T_{ij}^{норм}-T_{ij}^{ид}\right)}^2},\left(1\right)$$

где i - измеряемый параметр (i=1…M); M - максимальное число параметров; j - номер блока однотипных функциональных элементов в структуре устройства (j=1…N); N - максимальное число блоков функциональных элементов; $$E_{ij}^{норм}$$ , $$S_{ij}^{норм}$$ , $$T_{ij}^{норм}$$ - нормированные значения энергопотребления, стоимости и технической совместимости функционального элемента i-го параметра j-го блока соответственно; $$E_{ij}^{ид}$$ , $$S_{ij}^{ид}$$ , $$T_{ij}^{ид}$$ - идеальные значения указанных характеристик ( $$E_{ij}^{ид}$$ =0, $$S_{ij}^{ид}$$ =0, $$T_{ij}^{ид}$$ =1).

Нормирование значений энергопотребления и стоимости может быть осуществлено следующим образом:

$$E_{ij}^{норм}=c_E{E}_{ij}-d_E$$ , $$S_{ij}^{норм}=c_S{S}_{ij}-d_S$$ ,

где E_ij - энергопотребление i-го параметра j-го блока; S_ij - стоимость i-го параметра j-го блока; $$c_E=\frac{1}{E_{\max }-E_{\min }}$$ и $$c_S=\frac{1}{S_{\max }-S_{\min }}$$ - масштабирующие коэффициенты; $$d_E=\frac{E_{\min }}{E_{\max }-E_{\min }}$$ и $$d_S=\frac{S_{\min }}{S_{\max }-S_{\min }}$$ - коэффициенты сдвига; E_max и S_max - наибольшие энергопотребление и стоимость i-го параметра j-го блока; E_min и S_min - наименьшие энергопотребление и стоимость i-го параметра j-го блока.

Значение технической совместимости находится экспертным путем в диапазоне Т_ij ∈ (0;1] и определяет соответствие двух сопрягаемых функциональных элементов j-го и (j-1)-го блоков по ряду важных технических характеристик, таких как точность, чувствительность, разрядность, сложность монтажа и другие.

Оптимизация структуры устройства по выбранному критерию, например (1), может быть осуществлена на основе теории графов с использованием алгоритма поиска кратчайшего пути, такого как алгоритм Дейкстры или Беллмана-Форда, поэтому наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ нахождения кратчайшего пути [Н. Кристофидес. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. - 432 с. - С.177-183], заключающийся в том, что в графе, состоящем из V узлов, соединенных между собой E ребрами, определяют исходный узел 1, присваивают ему метку [0;-], где первый элемент метки представляет собой кратчайшее расстояние до исходного узла 1, а второй элемент - узел, предшествующий рассматриваемому на кратчайшем пути до исходного узла 1, включают его во множество помеченных узлов Y={1}, для каждого узла ν_ij ∉ Y, где i=1…М - номер узла ν_ij на j-м шаге; j=1…N - номер шага, устанавливают сумму весов связей для пути от данного узла до исходного D(ν_ij)=c(1,ν_ij), для каждого шага находят узел ν_ij ∉ Y, для которого D(ν_ij) минимально, присваивают ему метку [D(ν_ij)+c(ν_i(j-1),ν_ij);ν_i(j-1)] и добавляют узел ν_ij в множество Y, актуализируют D(ν_ij) для всех узлов ν_ij ∉ Y по правилу D(ν_ij)=min{D(ν_ij)+c(ν_i(j-1),ν_ij)} до тех пор, пока все узлы не окажутся в множестве Y, определяют кратчайшие маршруты от узлов ν_ij, для которых j=N, к исходному узлу 1 путем прохождения узлов в обратном направлении с помощью информации, представленной в метках.

Недостатком способа-прототипа является невозможность его использования для оптимизации структуры устройств, обусловленная следующими причинами:

1) способ-прототип не предусматривает сопоставление графа, на котором осуществляется поиск кратчайшего пути, с конкретными функциональными элементами и связями между ними;

2) возможность периодического измерения параметров и однотипности функциональных элементов устройств подразумевают включение в структурную схему коммутационных элементов. Однако способ-прототип не подразумевает исключение таких элементов, которые в результате определения оптимальных маршрутов имеют один вход.

Задачей изобретения является разработка способа оптимизации структуры устройства, позволяющего уменьшить его энергопотребление и/или стоимость путем сокращения структурной избыточности.

В заявленном способе эта задача решается тем, что в способе оптимизации структуры устройства, заключающемся в том, что в графе, состоящем из V узлов, соединенных между собой Е ребрами, определяют исходный узел 1, присваивают ему метку [0;-], где первый элемент метки представляет собой кратчайшее расстояние до исходного узла 1, а второй элемент - узел, предшествующий рассматриваемому на кратчайшем пути до исходного узла 1, включают его во множество помеченных узлов Y={1}, для каждого узла ν_ij ∉ Y, где i=1…М - номер узла ν_ij на j-м шаге; j=1…N - номер шага, устанавливают сумму весов связей для пути от данного узла до исходного D(ν_ij)=c(1,ν_ij), для каждого шага находят узел ν_ij ∉ Y, для которого D(ν_ij) минимально, присваивают ему метку [D(ν_ij)+c(ν_i(j-1),ν_ij),ν_i(j-1)] и добавляют узел ν_ij в множество Y, актуализируют D(ν_ij) для всех узлов ν_ij ∉ Y по правилу D(ν_ij)=min{D)(ν_ij)+c(ν_i(j-1),ν_ij)} до тех пор, пока все узлы не окажутся в множестве Y, определяют кратчайшие маршруты от узлов ν_ij, для которых j=N, к исходному узлу 1 путем прохождения узлов в обратном направлении с помощью информации, представленной в метках, дополнительно графом описывают структуру устройства, при этом ставят в соответствие нечетным узлам графа, для которых j=2n+1, функциональные элементы устройства, четным узлам графа, для которых j=2n, - коммутационные элементы, ребрам - связи между функциональными и коммутационными элементами, а весам вершин - критерий оптимизации структуры устройства. После того как определяют кратчайшие маршруты из полученного графа удаляют все узлы ν_ij, для которых одновременно выполняются два условия: j=2n, и количество ребер, соединяющих данный узел ν_ij с узлами ν_i(j-1), равно 1, ставят в соответствие узлам полученного графа функциональные и коммутационные элементы устройства, ребрам - связи между функциональными и коммутационными элементами.

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет применения алгоритма Дейкстры для поиска оптимальной по заданному критерию структуры цифровой системы.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа определения оптимальной структуры цифровой системы, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности ″новизна″.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности ″изобретательский уровень″.

Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами:

фиг.1 - структурная схема беспроводного датчика для измерения нескольких параметров;

фиг.2 - граф многофункционального беспроводного датчика, совмещенный с его структурной схемой;

фиг.3 - значения технической совместимости структурных элементов;

фиг.4 - граф беспроводного датчика при M=4;

фиг.5 - граф многофункционального беспроводного датчика с оптимальными маршрутами;

фиг.6 - граф многофункционального беспроводного датчика без коммутационных устройств с одним входом;

фиг.7 - оптимальная структурная схема многофункционального беспроводного датчика.

Реализация заявленного способа поясняется на примере проектирования беспроводного датчика с автономным питанием для измерения нескольких параметров (фиг.1).

Учитывая монотонность (медленное изменение во времени) параметров состояния дорожного покрытия, появляется возможность их периодического измерения и предлагается для снижения энергопотребления использовать одни и те же однотипные функциональные элементы в структурных схемах нескольких беспроводных датчиков, осуществляя их последовательную коммутацию. Для этого выполняют следующие шаги.

1. Графом описывают структуру устройства, при этом ставят в соответствие нечетным узлам графа, для которых j=2n+1, функциональные элементы устройства, четным узлам графа, для которых j=2n, - коммутационные элементы, ребрам - связи между функциональными и коммутационными элементами (фиг.2), а весам вершин - критерий оптимизации структуры устройства.

В рассматриваемом примере (фиг.2) в качестве критерия оптимизации структуры устройства выберем обобщенный показатель (1), тогда c(ν_i(j-1),ν_ij)=k_ij. Значения технической совместимости взаимодействующих структурных элементов многофункционального беспроводного датчика для случая измерения четырех параметров (M=4) представлены на фиг.3, а соответствующий граф приведен на фиг.4.

2. В графе, состоящем из V узлов, соединенных между собой E ребрами, определяют исходный узел 1, присваивают ему метку [0;-], где первый элемент метки представляет собой кратчайшее расстояние до исходного узла 1, а второй элемент - узел, предшествующий рассматриваемому на кратчайшем пути до исходного узла 1, включают его во множество помеченных узлов Y={1}, для каждого узла ν_ij ∉ Y, где i=i…М - номер узла ν_ij на j-м шаге; j=1…N - номер шага, устанавливают сумму весов связей для пути от данного узла до исходного D(ν_ij)=c(1,ν_ij), для каждого шага находят узел ν_ij ∉ Y, для которого D(ν_ij) минимально, присваивают ему метку [D(ν_ij)+c(ν_i(j-1)),ν_ij);ν_i(j-1)] и добавляют узел ν_ij в множество Y, актуализируют D(ν_ij) для всех узлов ν_ij ∉ Y по правилу D(ν_ij)=min{D(ν_ij)+c(ν_i(j-1),ν_ij)} до тех пор, пока все узлы не окажутся в множестве Y, определяют кратчайшие маршруты от узлов ν_ij, для которых j=N, к исходному узлу 1 путем прохождения узлов в обратном направлении с помощью информации, представленной в метках.

Результаты рассмотренного итеративного процесса представлены на фиг.5, на которой под узлами указаны суммы весов связей для пути от данного узла до исходного D(ν_ij)=c(1,ν_ij), а оптимальные маршруты от всех начальных узлов (i=1) до исходного узла 1 выделены жирной линией. Полученные маршруты позволяют устранить структурную избыточность многофункционального беспроводного датчика (фиг.2), удалив 20 функциональных элементов.

Анализ представленного графа (фиг.5) показывает, что между функциональными элементами беспроводного датчика включены коммутационные элементы (узлы, у которых j=2n, n=1,2…), имеющие только один вход. Их использование является нецелесообразным и требует исключения из графа (структурной схемы беспроводного датчика).

3. Из полученного графа удаляют все узлы ν_ij, для которых одновременно выполняются два условия: j=2n, и количество ребер, соединяющих данный узел ν_ij с узлами ν_i(j+1), равно 1.

Так, для рассматриваемого случая (фиг. 5) на данном шаге исключаются узлы ν₁₂, ν₃₂, ν₄₂, ν₁₃, ν₃₃, ν₁₄, ν₂₄, ν₃₄, ν₄₄, ν₁₅, ν₄₅, ν₁₆, ν₃₆, ν₄₆, ν₁₇, ν₃₇, ν₄₇, ν₁₈, ν₂₈, ν₃₈, ν₄₈, ν₂₉, ν₃₉, ν₄₉, ν₁₁₀ (ФИГ. 6).

4. Ставят в соответствие узлам полученного графа функциональные и коммутационные элементы устройства, а ребрам - связи между функциональными и коммутационными элементами, получая в результате такого объединения функциональных и коммутационных элементов устройство с оптимизированной структурой.

Для рассматриваемого примера с учетом конкретных функциональных и коммутационных элементов оптимальную по выбранному критерию (1) структуру устройства (беспроводного датчика) можно представить следующим образом (фиг. 7).

Выигрыш по обобщенному показателю от реализации разработанной схемы (фиг. 7) по сравнению с исходной (фиг. 1) составил около 2,2 раза, что при

для значений обобщенного показателя k_ij, заданных на фиг.3, и

для существующих значений k_ij, заданных на фиг. 6, соответствует расчетному значению

Таким образом, предлагаемый способ оптимизации структуры устройства позволил (в рассмотренном примере) сократить структурную избыточность беспроводного датчика на 35% и достичь выигрыша по обобщенному показателю - в 2,35 раза. Значение выигрыша с учетом реального энергопотребления функциональных и коммутационных элементов реализованного устройства (беспроводного датчика) составило около 2,2 раз.

Способ оптимизации структуры устройства, заключающийся в том, что в графе, состоящем из V узлов, соединенных между собой Е ребрами, определяют исходный узел 1, присваивают ему метку [0;-], где первый элемент метки представляет собой кратчайшее расстояние до исходного узла 1, а второй элемент - узел, предшествующий рассматриваемому на кратчайшем пути до исходного узла 1, включают его во множество помеченных узлов Y={1}, для каждого узла ν_ij ∉ Y, где i=1…М - номер узла ν_ij на j-м шаге; j=1…N - номер шага, устанавливают сумму весов связей для пути от данного узла до исходного D(ν_ij)=c(1,ν_ij), для каждого шага находят узел ν_ij ∉ Y, для которого D(ν_ij) минимально, присваивают ему метку D(ν_ij)+c(ν_i(j-1),ν _ij);ν_i(j-1)] и добавляют узел ν_ij в множество Y, актуализируют D(ν_ij) для всех узлов ν_ij ∉ Y по правилу до тех пор, пока все узлы не окажутся в множестве Y, определяют кратчайшие маршруты от узлов ν_ij, для которых j=N, к исходному узлу 1 путем прохождения узлов в обратном направлении с помощью информации, представленной в метках, отличающийся тем, что графом описывают структуру цифровой системы, при этом ставят в соответствие нечетным узлам графа, для которых j=2n+1, функциональные элементы цифровой системы, четным узлам графа, для которых j=2n, - коммутационные устройства, ребрам - связи между функциональными элементами и коммутационными устройствами, а весам вершин - критерий оптимизации, после того как определяют кратчайшие маршруты, из полученного графа удаляют все узлы ν_ij, для которых одновременно выполняются два условия: j=2n, и количество ребер, соединяющих данный узел ν_ij с узлами ν_i(j+1), равно 1, ставят в соответствие узлам полученного графа функциональные элементы цифровой системы и коммутационные устройства, а ребрам - связи между функциональными элементами и коммутационными устройствами.