Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 681.327.12
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОРФОЛОГИЧЕСКО-ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
О. В. Пономарева, В. А. Пономарев, А. В. Пономарев
На основе анализа современного состояния развития информационно-измерительных систем функционального диагностирования объектов исследована организация (в широком смысле этого слова) систем данного класса. Предложено их структурное и алгоритмическое описание на базе системного подхода в виде обобщенной иерархической функциональной морфологическо-информационной модели. Сформулированы задачи, решение которых необходимо для повышения эффективности данного вида диагностирования.
Ключевые слова: цифровая обработка сигналов, датчики, информационно-измерительные системы функционального диагностирования объектов, структурное и алгоритмическое описание систем на базе системного подхода, распознавание образов, критерии эффективности.
Функциональное диагностирование объектов, проводимое в процессе осуществления ими своих прямых функций на основе анализа порождаемых ими сигналов, находит самое широкое применение в различных областях научных исследований [1—3] и обладает рядом преимуществ, наиболее важные из которых:
• методы функционального диагностирования объектов являются неразрушающими, так как диагностирование объекта проводится без нарушения его работоспособности;
• сигнал, порождаемый объектом в режиме функционирования, обладает высокой информативностью с точки зрения диагностирования, т. е. сам объект является лучшим датчиком своего состояния.
Именно эти преимущества и перспективность метода обусловили интенсивность теоретических и экспериментальных исследований по созданию информационно-измерительных систем (ИИСД) функционального диагностирования объектов [1—4], прошедших три стадии с поколения развития.
Системы первого поколения характеризовались централизованным циклическим получением измерительной информации, обрабатывавшейся, в основном, в специализированных вычислительных устройствах.
Системы второго поколения характеризуются уже адресным сбором измерительной информации, при этом важным отличием стало использование для обработки диагностической информации собственных средств вычислительной техники, роль программного обеспечения (ПО) резко возросла, а роль специализированных вычислительных устройств существенно уменьшилась.
В ИИСД третьего поколения широко применяется многофункциональная обработка измерительной информации, используется адаптивный подход как к структуре самой системы (аппаратная часть), так и к ее ПО, а доля цифровых методов неуклонно растет. Все большее значение приобретают диалоговые (интерактивные) режимы работы оператора с системой и ее базой данных. База данных ИИСД, являясь ее информационным ядром, содержит, в частности, данные о применяемых диагностических моделях, о характеристиках самой информационно-измерительной системы и т. п. Существенно возрастает роль цифровых методов и алгоритмов измерения, обработки и анализа сигналов, их реализации в виде ПО.
Системы диагностирования объектов, в целом, прошли рассмотренные этапы развития за весьма короткий промежуток времени, и решающую роль в этом сыграл обмен опытом, накопленным при
2
вепвогв & Эувгетв • № 1.2014
разработке и внедрении ИИС в различных областях научных исследований.
Анализ современного состояния развития ИИСД объектов (как у нас в стране, так и за рубежом) выявил и одну ярко выраженную тенденцию — формальное заимствование методов и алгоритмов обработки сигналов из одной области научных исследований в другую без анализа специфики функционального диагностирования объектов в конкретной предметной области.
Такой подход наряду с преимуществами (например, возможностью применения уже разработанного программного обеспечения процедур обработки информации) обладает и существенными недостатками. Во-первых, требования к средствам вычислительной техники часто оказываются завышенными. Например, при функциональном виброакустическом диагностировании на этапе производства и эксплуатации сложных машинных комплексов использование их собственных процессорных средств становится проблематичным. Во-вторых, формальный перенос методов и алгоритмов из других областей цифровой обработки сигналов не позволяет осуществить построение эффективного признакового пространства, а, следовательно и алфавита классов состояний диагностируемого объекта, что снижает эффективность и надежность диагностирования объектов.
С целью построения эффективных методов и средств функционального диагностирования объектов, ориентированных на применение в конкретных предметных областях и обладающих широкими функциональными возможностями, исследуем на базе системного подхода организацию (в широком смысле этого слова) систем функционального диагностирования объектов, их структурное и алгоритмическое описание.
Современные системы функционального диагностирования являются сложными техническими системами, которые содержат в своем составе подсистемы, функциональные блоки и элементы, отличающиеся по структуре, свойствам, характеру связей и параметрам. Для исследования такого класса систем необходимо провести их описание, т. е. построить некоторую обобщенную модель системы функционального диагностирования объектов, которая бы отражала совокупность свойств проблемы создания методов, алгоритмов и средств цифровой обработки сигналов.
В рамках системного подхода сложную систему принято описывать с трех точек зрения: функциональной, морфологической и информацион-
ной. Основываясь на этой общей методологии и с учетом того, что в теории сложных систем уровни декомпозиции системы (границы систем различных уровней) должны совпадать с уровнями иерархии, составим иерархическую функциональную морфологическо-информационную модель системы функционального диагностирования объекта.
Функциональное описание системы ^ф характеризуется тройкой конечных множеств, отражающих функции Ф, операторы преобразования Я и иерархию С: £ф = {Ф, Я, С}.
Основой функционального описания ИИС диагностирования является описание ее работы (функционирования), которое проведем на примере виброакустического функционального диагностирования объектов. Описание ИИС данного класса в виде обобщенной функционально-структурной схемы приведено на рисунке.
Система виброакустического функционального диагностирования объектов (СВФДО) включает в себя: ДМ — диагностическую модель; СОВАС — систему обработки виброакустического сигнала; СУОД — систему управления объектом диагностирования (может отсутствовать, связи показаны штриховой линией).
Подсистемами СОВАС являются: СПВ — система первичных вибропреобразователей и входных цепей; СИФ — система измерения функций виброакустического сигнала; СПР и ПД — система принятия решения и постановки диагноза; СРО — система распознавания образов, включающая в себя СФС (систему формирования словаря диагностических признаков), СФА (систему формирования алфавита классов (диагнозов), СКО (систему классификации образов).
Дадим краткое функциональное описание каждой из систем СВФДО в некотором обобщенном виде.
Система первичных вибропреобразователей и входных цепей (СПВ) включает в себя первичные преобразователи виброакустических сигналов в их электрические эквиваленты, согласующие устройства, нормирующие преобразователи, коммутаторы и другие преобразователи первичной информации.
Система выполняет преобразование X(®;) =
Л®;) т/®;) , (®;),
= Як • (У ), где X = {х } — множество
-¡А®;) п(®;)
электрических эквивалентов У ; Як — оператор к-го первичного преобразователя, к = 1, п;
Обобщенная функционально-структурная модель системы виброакустического функционального диагностирования объектов
г " = {ур } — множество виброакустических сигналов объекта ю, = 1, т .
Система измерения функций виброакустического сигнала (СИФ) осуществляет измерение различных функций (в том числе и спектрально-временных) виброакустического сигнала на базе мел г ПСИФ / т/®/),
тода М/ и алгоритма Ам, (: И (. = Яг (X },
1 I, X
где И — функция сигнала Х(Ш/) объекта ю,,
г, X 1 ■>
СИФ
получаемая с помощью оператора системы Яг , / = 1, р.
Система формирования словаря диагностических признаков (СФС) формирует словарь диагностических признаков Ус = {VI, У2, ..., у^} на базе
измеренных функций И (ш.), / = 1, р, у = 1, т, с
г, X 1
учетом диагностической модели А и множества Т (задается СПР и ПД): Гс Т = ЯСФС({ И } А, Т),
' г, X 1
где Т = {т1, Т2, ..., т^}, Т = 1 v 0 в зависимости от того, используется ли признак V/ словаря Ус в дальнейшем или нет.
Система формирования алфавита (СФА) предназначена для формирования алфавита классов или алфавита диагнозов, когда понятие класса совпадает с понятием диагноза (например, в дифференциальной диагностике).
Дадим функциональное описание рассматриваемой системы. Пусть задано множество объектов: Оо = {®1,0, ®2,0, ..., ®м,о} (обучающая выборка), также множество возможных решений: Ь = {/1, 2 ..., /д}, которые могут быть приняты СПР и ПД по результатам решения задачи распознавания.
Пусть множество О = {£1, g2, ..., задает возможные варианты разбиения обучающей выборки Оо на классы:
С С (г С
Ок : Ог, о п О, о = 0; Ог, о = 0; и ю, 0 = ®о;
' ' г = 1 '
I, у = 1, тк; / * у; к = 1, £.
Затем строится описание 9г 0к на языке словаря Ус т каждого класса: О^О; У = 1, тк; с учетом диагностической модели либо непосредственно по выборке Оо, либо с помощью процедур
обучения: 9,; ^ = ЯСФА(Гс, т, Ок, А).
4
Эепвогв & Эувгетв • № 1.2014
Система классификации образов (СКО) решает традиционную задачу распознавания образов — построение решающих правил, обеспечивающих минимизацию ошибок при распознавании неизвестных объектов.
Система осуществляет следующие функции (СПР и ПД задают набор решающих функций — H). Вновь поступающий объект юу,э, принадлежащий множеству объектов Qэ = {ю^ э, Ю2 э, ..., юл^э} (экзаменационная выборка), описывается на язы-
V T
ке словаря признаков VcT как 9ШС э (формируется СФС) и затем определя
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.