|
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
УДК 621.396.6, 519.3
ЛЕВЧЕНКО Андрій Олександрович
Розроблення адаптивної системи технічної діагностики
з прогнозуванням
Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеському інституті сухопутних військ Міністерства оборони України на кафедрі тактики (технічних засобів розвідки та спеціального зв’язку).
Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Становський Олександр Леонідович,
Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри нафтогазового та хімічного машинобудування.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент
Денисенко Володимир Анатолійович,
Одеська державна академія холоду,
завідувач кафедри автоматизації систем холодильного та кріогенного машинобудування;
кандидат технічних наук, доцент
Худенко Надія Петрівна,
Одеська національна академія харчових технологій, доцент кафедри вищої математики.
Провідна установа: Харківський національний технічний університет
радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, кафедра метрології та вимірювальної техніки, м. Харків.
Захист відбудеться 22 квітня 2004 р. о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 400-А.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий “__16__” березня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Існує окремий за призначенням клас складних технічних систем (СТС), головним завданням технічного обслуговування і ремонту (ТОіР) яких є визначення відповідності реального стану вимогам нормативно-технічної документації. Це, насамперед, контрольно-перевірочна апаратура комплексів керованої ракетної зброї, які знаходяться у Збройних силах України і відмова яких може призвести до катастрофічних наслідків.
На жаль, діючи ТОіР та метрологічного забезпечення таких систем розроблені з використанням стратегії обслуговування за календарними строками, яка не забезпечує необхідний рівень технічного стану СТС. Тому в останні роки все частіше звертаються до систем ТОіР за станом. Наприклад, введення в дію програми ІМР, яка забезпечує експлуатацію авіаційної техніки ВМС США за станом з прогнозуванням, тільки за перші 9 місяців дозволило зменшити трудовитрати під час регламентних робіт на 34,8 – 39,8 %, скоротити тривалість простоїв техніки при ТОіР на 37,7 – 79,1 % і підвищити її боєготовність на 40 %. Сумарний економічний ефект від переходу до програми ІМР тільки для палубної авіації ВМС США склав 1,4 млрд. доларів. Обслуговування за прогнозованими показниками надійності вважається сьогодні однією з вищих форм організації систем технічного забезпечення експлуатації (СТЗЕ). Але, як показує порівняльний аналіз різноманітних стратегій обслуговування, контроль з прогнозуванням, дозволяючи досягати максимуму ефективності функціонування системи ТОіР, одночасно є і найдорожчою процедурою одержання інформації про стан СТС, оскільки його практична реалізація потребує великої кількості інформації – достатньо повних статистичних даних про характер зміни технічного стану (діагностичних параметрів) СТС за часом, а отже і великих капіталовкладень для збирання та переробки цієї інформації.
Тому подальший розвиток автоматичних систем метрологічного супроводження з прогнозуванням (АПСМС), розробка та впровадження адаптивних інформаційних систем технічної діагностики СТС з прогнозуванням, які базуються на алгоритмах прогнозу з необхідною достовірністю за вибірковими даними обмеженого обсягу інформації є вельми актуальною задачею.
Дисертація виконувалася відповідно до тематики плану науково-технічної діяльності Одеського інституту Сухопутних військ (розділ 4.3 планів на 1999 – 2003 роки). Робота виконана у рамках НДР “Розвиток” (замовник: головнокомандувач Сухопутних військ), НДР “Модель-2000” (замовник: Кабінет міністрів України) та НДР “Аркадія” (№ 01030008067, замовник: командувач військ Південного оперативного командування (ПівдОК)).
Об'єктом дисертаційного дослідження є інформаційне моделювання динаміки дрейфу діагностичних параметрів СТС.
Предметом дисертаційного дослідження є моделі та алгоритми синтезу адаптивної інформаційної системи технічної діагностики з прогнозуванням.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення рівня безвідмовності СТС за поступовими відмовами за рахунок розробки та впровадження адаптивної системи технічної діагностики з прогнозуванням.
Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв’язані такі задачі:
– розроблена робастна, стійка структура адаптивної інформаційної системи технічної діагностики з прогнозуванням;
– розроблені алгоритми стійкого індивідуального оперативного прогнозу параметричної надійності СТС за статистично неоднорідними даними обмеженого обсягу при відсутності апріорних відомостей про ймовірносні характеристики процесу дрейфу діагностичних параметрів;
– виконано обґрунтування структури алгоритму ідентифікації інформаційної моделі дрейфу діагностичних параметрів з урахуванням відомого часу відновлення технічного стану;
– виконано синтез алгоритму ідентифікації щільності розподілу ймовірностей випадкового процесу дрейфу діагностичних параметрів у класі суміші невідомого розподілу при неодиничності компонентів в суміші;
– отримані розрахункові співвідношення для величини керуючого впливу на процес дрейфу діагностичного параметра при використанні результатів прогнозу часу його виходу за межі експлуатаційних допусків;
– виконано оцінювання ефективності застосування адаптивної інформаційної системи технічної діагностики з прогнозуванням в якості технологічної системи управління діагностичними параметрами для СТС з числовим вимірювальним контролем стану.
Методи дослідження. Для побудови алгоритму прогнозу параметричної надійності застосовано метод максимуму компактності статистичних моделей в якості генератора прикладних алгоритмів розв’язання початкових задач математичної статистики. Для параметричній ідентифікації моделей в алгоритмі застосовується обчислювальна процедура варіаційно-зважених квадратичних наближень методу найменших модулів (МНМ). Для побудови алгоритму ідентифікації моделі дрейфу діагностичного параметра використано метод максимуму емпіричної правдоподібності з каппа-крітеріем еквівалентності моделей методу максимуму компактності (ММК). Для проведення розрахункового експерименту з перевірки працездатності розроблених алгоритмів застосовано рівняння варіацій в схемі квадратичних наближень методу мінімаксу. Для оцінювання ефективності застосування адаптивної інформаційної системи технічної діагностики з прогнозуванням застосовано метод динамічного балансу міри, а для параметричної ідентифікації моделей – ММК за середньою медіаною.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку і поглибленні теоретичних і методичних основ побудови стійких робастних алгоритмів прогнозування СТС.
Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:
– вперше розроблено алгоритм ідентифікації щільності розподілу ймовірностей випадкового процесу дрейфу діагностичних параметрів у класі сумішей розподілів, в якому за рахунок використання максимуму відтворюваності інформаційною моделлю початкових даних в якості критерію вигляд закону розподілу в суміші автоматично визначається індивідуально для кожного зразка СТС за даними вимірювального контролю;
– вперше в вагових коефіцієнтах розрахункової процедури варіаційно-зважених квадратичних наближень Вайсфельда-Мудрова в алгоритмі ідентифікації інформаційної моделі дрейфу діагностичних параметрів, на відміну від існуючих алгоритмів, враховуються похибки засобів контролю;
– отримав подальший розвиток алгоритм перевірки наявності структурних змін інформаційних моделей шляхом його розповсюдження на випадки одного, двох та чотирьох відліків після регулювання;
– вперше отримані розрахункові співвідношення величини керуючого впливу на процес дрейфу діагностичного параметра, які базуються на критерії забезпечення максимального часу безвідмовної роботи за поступовими відмовами;
– вперше отримані алгоритми та співвідношення синтезу адаптивних інформаційних систем технічної діагностики з прогнозуванням за статистично неоднорідними даними обмеженого об’єму без припущень про вигляди законів розподілу діагностичних параметрів;
– вперше запропоновано використання в якості критерію ефективності систем технічного забезпечення експлуатації наявність зростання термінів безвідмовної експлуатації СТС.
Практичне значення отриманих результатів. Алгоритми ідентифікації щільності розподілу ймовірностей та ідентифікації інформаційної моделі дрейфу є замкнутими та програмно реалізуються в якості модулів як існуючих, так і таких програмних продуктів та робочих місць, що розробляються. Забезпечена можливість синтезу стійких алгоритмів контролю з прогнозуванням в якості основи індивідуальних систем управління діагностичними параметрами технологічного типу та переходу до побудови систем технічного забезпечення експлуатації з використанням стратегії обслуговування за станом з прогнозом параметрів. Забезпечено обґрунтування подальшої експлуатації СТС, які мають запас ресурсу, але вислужили терміни експлуатації, за рахунок індивідуального прогнозування параметричної надійності.
Розробка “Плану регламенту керованих ракет ПівдОК” у військовій частині А-3263 з застосуванням системи технічної діагностики в якості найбільш доцільної системи обслуговування дозволило налагодити проведення робіт меншою кількістю контрольно-перевірочних машин постійними групами спеціалістів частин та з’єднань відповідних служб ПівдОК. Застосування адаптивної інформаційної системи технічної діагностики дозволило обґрунтувати введення відділення ТО в організаційно-штатну побудову військової частини А-1454, що одночасно з розширенням номенклатури зразків озброєння, яке обслуговується, дозволило скоротити значну кількість цивільних фахівців.
Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих і розробленні нових алгоритмів інформаційного моделювання ММК [2, 4, 7, 10, 12, 15], виборі і вдосконаленні математичних та комп’ютерних методів дослідження достовірності прогнозу [5, 7, 8, 10, 13, 15 – 17]. Дисертантом запропоновано та доведено до практичного використання адаптивну інформаційну систему технічної діагностики з прогнозуванням [1, 3, 6, 9, 11, 13 – 15, 18].
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 4 – 6 міжнародних науково-методичних конференціях “Удосконалення підготовки фахівців” (Одеса, 1999 – 2001); науково-технічній конференції ХВУ (Харків, 1999); 8-й міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” (Харків, 2000); науково-технічних семінарах наукових співробітників та ад’юнктів ООЛІСВ (Одеса, 1999 – 2002); науково-технічному семінарі 4-го управління ЗС України, (Київ, 2001); науково-технічному семінарі ООЛІСВ (Одеса, 2002); 4-й міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии” (Одеса, 2003); 3-й науковій конференції молодих вчених ХВУ (Харків, 2003); 3-й науково-технічній конференції “Стан і розвиток військово-морських сил Збройних сил України на сучасному етапі” (Севастополь, 2003) та ХІ семінарі “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях” (Одеса, 2004).
Публікації. Результати дисертації викладені в 18 публікаціях, в тому числі – 10 статтях у журналах зі спеціального переліку ВАК України та у 8 матеріалах конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, додатків. Обсяг дисертації – 127 стор. (без додатків). Дисертація містить 9 рисунків, 11 таблиць і посилання до 148 літературних джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступi наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну та практичне значення; визначено об’єкт та предмет дослідження, сформульована його мета та задачі.
У першому розділі проаналізовано питання технічного забезпечення експлуатації СТС з числовим вимірюваним контролем стану. Показано, що підґрунтям реалізації стратегії технічного обслуговування за станом з контролем діагностичних параметрів є побудова інформаційних систем управління параметрами. Обґрунтовані напрямки досліджень: створення процедур, які б дозволили вказувати час введення та величину керуючого впливу на параметр з оцінюванням достовірності прогнозу в умовах відсутності та неможливості одержання достовірної апріорної інформації про імовірнісні характеристики процесу дрейфу діагностичного параметра під впливом факторів експлуатації; проведення оцінювання ефективності СТЗЕ в якій підсистеми технічного та метрологічного забезпечення інтегруються і реалізуються у вигляді технологічних систем управління параметрами. Сформульована задача оцінювання ефективності систем ТОіР.
Після відповідного аналізу з використанням досвіду побудови АПСМС “Прогноз-ММКМЕД” – для еталонів і “Єдність” – для засобів вимірювання вищої точності методом дослідження обрано ММК статистичних моделей.
У другому розділі розв’язана задача стійкого індивідуального оперативного прогнозу параметричної надійності за статистично неоднорідними вибірковими даними обмеженого обсягу при відсутності апріорної інформації про ймовірні характеристики процесу дрейфу контрольованих діагностичних параметрів у постановці: для точкової оцінки майбутнього значення випадкового неспостерігаємого процесу Y’(ω, tj) дрейфу контрольованих параметрів визначити момент часу tпрогн = τвідм, в який оцінка, зроблена на основі дискретної послідовності значень процесу, що спостерігається, Y’контр(ω, tj) з обмеженою кількістю членів n < 15, вийде за межі допуску з розрахунком характеристик достовірності одержуваного результату, з оглядом на помилки контролю параметрів ε’контр(ω, tj) та заходи відновлення технічного стану об’єкта.
Вдосконалено алгоритм ідентифікації моделей дрейфу діагностичних параметрів з урахуванням регулювань і профілактичних замін елементів шляхом введення процедури виявлення структурних змін в моделі та алгоритм ідентифікації щільності розподілу ймовірностей випадкового процесу в класі суміші невідомого розподілу при неодиничності компонентів в суміші.
Перший передбачає побудову інформаційної моделі дрейфу параметру у вигляді сукупності характеристики положення та масштабних факторів розподілу, в якості яких, враховуючи досвід побудови АПСМС, вибираються медіана процесу дрейфу параметра Θ(t), та медіани позитивних ε+(t) та негативних ε–(t) відхилень від характеристики положення. Таким чином задача ідентифікації моделі дрейфу для прогнозу діагностичного параметра зведена до синтезу інформаційних моделей характеристики положення та масштабних факторів в класі степеневих рядів. Ідентифікація здійснюється трикратним використанням алгоритму на різних частинах пробної вибірки. Структурна ідентифікація інформаційної моделі характеристики положення проводиться в рамках ММК за характеристиками екстраполяційного функціоналу (ЕФ): середньому модулю нев’язок (СМНЕФ) середньому модулю помилок (СМПЕФ).
ММК використовує каппа-критерій відтворюваності – один з самих чутливих до структурних змін початкової вибірки. Існуючі алгоритми ММК використовували в якості процедур виявлення структурних змін дуже складний у практичній реалізації метод ковзної медіани. Істотною відміною задачі побудови алгоритму для прогнозу з його використанням у системах управління технологічного типу від задач, які вирішувалися існуючими алгоритмами, полягає в тому, що час, у який передбачається розладка, визначений (відомий час відновлення). Ця обставина дозволила істотно спростити задачу і звести її до перевірки гіпотези про зміну характеристик положення і масштабу моделі дрейфу діагностичного параметра під час його регулювання.
Розроблена процедура перевірки наявності структурних змін, яка розповсюджує трьохточечну схему виявлення структурних змін на 1, 2 та 4 відліки. Суть процедури полягає в перевірці значень СМНЕФ: якщо його значення для лінійної моделі, побудованої на пробній вибірці, менше, ніж відповідне значення для моделі, побудованої на контрольній вибірці, розглядається гіпотеза про наявність структурної зміни в виборці (рис. 1).
Вперше реалізована можливість подальшого підвищення стійкості алгоритмів ідентифікації ММК за рахунок врахування, крім СМНЕФ, середніх модулів похибок засобів вимірювання, відповідно до їх класу точності. Для прийнятого в метрології розподілу Гауса похибок засобів вимірювання середній модуль у  менше середньоквадратичного відхилення похибки σ.
Вираз для вагових коефіцієнтів використаної розрахункової схеми варіаційно-зважених квадратичних наближень МНМ приймає вигляд:
 ,
де Δj – СМНЕФ j-ї підвибірки; σ – середньоквадратичне відхилення похибки засобів вимірювань при контролюванні діагностичного параметра.
При такому вигляді вагових коефіцієнтів в використаній розрахунковій схемі забезпечується можливість виключення точок розриву 2-го роду при похибках вимірювань  .
В якості початкового наближення отриманої обчислювальної схеми розробленого алгоритму, як і в існуючих, використовується результат ММКМЕДС-ідентифікації.
В другому алгоритмі передбачене розв’язання задачі для можливих на практиці виглядів розподілів. Він враховує формування розподілу зі зміщеними центрами, описи діагностичних параметрів із більшою точністю законами розподілів Коші, Лапласа, Стьюдента та формування для параметрів розподілів, близьких до законів рівної ймовірності, при тривалих строках експлуатації.
Рис. 1. Структура процедури перевірки гіпотези
про наявність структурних змін для випадку 4 відліків.
В алгоритмі ідентифікації щільності розподілу ймовірностей випадкового процесу в класі сумішей розподілів використаний метод максимуму емпіричної правдоподібності в якості процедури параметричної ідентифікації. Вибір структури інформаційної моделі здійснюється за каппа-критерієм для кожного типу сумішей. Інформаційна модель, структура якої забезпечує максимальну ступінь відтворюваності експериментальних значень, будується в рамках схеми перехресного іспиту.
Попередньо в рамках ММК проводиться перетворення даних за допомогою моделі дрейфу:
 .
Далі, відповідно до процедури перехресного іспиту, вибірка, отримана з початкової в результаті перетворення, розподіляється на пробну і контрольну частини, для яких емпірична функція правдоподібності має вигляд:
 .
Проводиться логарифмування отриманих функцій правдоподібності. Використовується умова існування екстремуму функції і визначаються часткові похідні за всіма невідомими параметрами для кожного виду щільностей розподілу законів, близьких до нормального. Після чого розв’язуються системи алгебраїчних рівнянь будь-яким методом, в залежності від кількості невідомих.
Оцінки щільності розподілу на пробній і контрольній вибірках здійснюються для кожного варіанта структури моделі закону розподілу визначеного виду, – вони попарно порівнюються за показником відтворюваності. Вибирається модель, яка забезпечує максимальне значення каппа-критерію при конкретних виглядах розподілу у суміші і синтезованої структурі моделі. В якості остаточної вибирається модель закону розподілу яка забезпечує максимальне значення каппа-критерію за всіма можливими видами моделей (рис. 2).
Для можливості формування структури адаптивної інформаційної системи технічної діагностики з прогнозуванням отримано аналітичні вирази для визначення величини керуючого впливу Δh на випадковий процес дрейфу діагностичних параметрів під час проведення ТОіР tпрогн, призначеного з використанням результатів прогнозу часу досягнення параметром межі поля допусків:
В третьому розділі отримані значення характеристик достовірності прогнозуючого контролю, для чого модифіковані вирази для розрахунку ймовірності помилкових РПВ та невиявлених РНВ відмов. В якості розподілу значень діагностичного параметра використаний розподіл ймовірностей його прогнозованих значень, а в якості розподілу похибок вимірів – розподіл нев’язок ЕФ:
 ;
 ,
де Z – похибка вимірювань параметра; fx(x), fZ(z) – щільності розподілів значень параметра і похибки його вимірювань для сукупності зразкових засобів; [aг , вг], [aк, , вк] – гарантійний і контрольний допуски на значення діагностичного параметра.
Помилки екстраполяції враховуються призначенням вагових коефіцієнтів моделі дрейфу. У такому вигляді вирази розцінювали як співвідношення для розрахунку характеристик прогнозу значень діагностичного параметра. Для проведення розрахункового експерименту отримані вирази для визначення ймовірностей помилок 1-го та 2-го роду у випадку однакових гарантійних і контрольних допусків і сполучення розподілів: суміші нормальних для розподілу параметра і рівномірного за полем допуску для розподілу невиключеної систематичної похибки (НСП).
 ;
 .
Отримане рівняння варіацій в схемі квадратичних наближень для випадку лінійних за параметрами моделей у вигляді структурованого степеневого ряду з випадковим залишковим членом  яке мінімізує середній модуль випадкової похибки (ВП)
| 
