Структурнойсхемы и алгоритма мониторингатехнического состояния судовых систем автоматическогоуправления
На правах рукописи
Гора ГригорийАлексеевич
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙСХЕМЫ И АЛГОРИТМА
МОНИТОРИНГАТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВЫХ
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГОУПРАВЛЕНИЯ
Специальность 05.13.06–Автоматизация и управление
технологическимипроцессами и производствами
(кораблестроение) потехническим наукам
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соисканиеученой степени
кандидата техническихнаук
Нижний Новгород – 2013 г.
Работа выполнена накафедре «Информатики, систем управления ителекоммуникаций» Федеральногогосударственного образовательногоучреждения высшего профессиональногообразования «Волжская государственнаяакадемия водного транспорта».
Научныйруководитель:доктор технических наук, профессор
ЧирковаМаргарита Макаровна
Официальныеоппоненты: Скороходов ДмитрийАлексеевич
доктортехнических наук,профессор,
главный научный сотрудникИнститута
проблем транспорта им. Н. С.Соломенко
Российской академии наук, г.Санкт-Петербург
Гурылев МихаилВикторович
кандидат техническихнаук,
начальникэлектротехнического отдела
ООО « Проминжиниринг», г.Н. Новгород
Ведущаяорганизация:Нижегородскийгосударственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева, г. Н.Новгород
Защитадиссертации состоится « 27 » декабря2013 г. в 13часов
в ауд. 281 назаседании диссертационного совета Д223.001.02 Волжскойгосударственнойакадемииводноготранспорта поадресу: 603950,
г. Нижний Новгород, ул.Нестерова, 5а.
С диссертациейможно ознакомиться вбиблиотеке ФГОУ ВПО«ВГАВТ».
Автореферат разослан«____»___________2013г.
Ученый секретарь
диссертационногосовета
кандидат техническихнаук,доцентА.А. Кеслер
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ
Актуальностьтемы. Обеспечение техническойбезопасности плаванья судов осуществляется работойбольшого количества судовыхсистем и комплексов, к которымпредъявляются высокие требования понадежности. В связи с тем,что работа системвзаимосвязана, то сбой в работе одной изних отражается на работе других. По опубликованным данным (Скороходов,Д.А. Принципы построения системыинформационной поддержки для принятиярешений в аварийных ситуациях /Д.А.Скороходов, А.Л.Стариченков // Морскиеинтеллектуальные технологии. №1(3), 2009. – С.35–39), “…около 15 % аварий на флотеявляются следствием внезапного отказасудового оборудования”. Традиционнаятехнология принятия управленческихрешений при возникновении нештатныхситуаций основывается наиспользовании документациина бумажных носителях, еёобъем и правилаприменения не обеспечиваютоперативногопроведения оценок процессов, которыедолжны быть выполнены с упреждением поотношениюк результатамвозникших нештатных ситуаций.
Современный уровеньсостояния вычислительной техники икомпьютерных технологий позволяетобъединить ЭВМ, управляющие судовымисистемами, влокальные сети. Это даст возможностьпостроить систему мониторинга технического состоянияобъектов, одной из задач которой можетбыть анализ возможногоизменения работы одной контролируемойсистемы, в связи с нарушением работыдругой.
Создание такой судовойлокальной вычислительной сети и системыупреждающего мониторинга о протекающих процессах позволит снизить количество аварий.
На данный моментвремени в различных областях деятельностиподобными задачами занимаются: ПономаревА.А., Гаскаров В.Д., Абрамов О.В., РозенбаумА.Н., Кузякин В.И., Пименов М.Ю., ЕфремовЛ.В., и др. Существуетдостаточное количество систем, которые решают большой круг задач, в томчисле контроля ипрогнозирования технического состоянияустройства, но ни однаиз них неучитывает взаимное влияния систем и не определяет место и моментвозникновения нештатной ситуации. Так, например, известна характернаяособенностьречных водоизмещающих судов– изменятьсвою характеристику управляемости при выходена мелководье (Поселенов Е.Н., Чиркова М.М. Выборкритерия для параметрической оптимизацииалгоритма управления объектом в условияхбыстроменяющейся внешней среды. //Журнал университетаводныхкоммуникаций. –2012. Вып. 1 (13). – С.132–136). Вэтом случае для достижениянужного эффекта углы перекладкирулей увеличиваются в разы. Если одна из судовых систем– системаэнергоснабжения судна–покаким-либо причинам не обеспечиваетнеобходимое напряжение в сети, топоказатели качества работы другой системы –движительно-рулевого комплекса– меняются, в частности может уменьшитьсябыстродействие и точность отработки положенияруля. Совпадение во времениэтих двух явлений – пониженное напряжение всети ивыход на мелководье,может привести к аварийной ситуации принормальном техническом состоянии систем.
Таким образом, создание системымониторинга для оценкивзаимного влияния объектоводной или разных, новзаимосвязанных в работе систем и предсказания места, времени и возможного пути развития нештатнойситуации, возникшей на каком- либо объектесистемы, является актуальнойзадачей.
Системамониторинга состоит из двух подсистем:
а) подсистемы сбора,обработки и кодирования информации для определениямомента,места возникновения и типанештатной ситуации;
б) экспертнойподсистемой, прогнозирующейвозможные отдаленные результаты возникшей ситуации.
В работе рассматривается задача создания1-й подсистемы. Для решениявторой задачи необходимо иметь базу знаний, основанных наэкспериментальных данных. Использование математическихмоделей для формирования базы знанийнежелательно в связи со сложностью полученияадекватных моделей для всехконтролируемых объектов, внешняя среда функционирования которых и соответственно иххарактеристики (уравнениядинамики) меняются.
Цель и задачидиссертационной работы.Целью работы является повышение безопасности движения суднапо заданной траектории за счет мониторинга технического состояния взаимосвязанных в работе объектов и формировании информации о времени, месте и тенденции развитиявозникшей нештатной ситуации.
Для достиженияпоставленной цели необходимо решить следующиезадачи.
- Разработать схему локальной сети сучетом судовой специфики – приоритетовконтролируемых объектов, позволит построить систему упреждающегомониторинга.
- Разработать способпредставления функциональной схемы контролируемойсистемы в виде схемы информационногопотока.
- Составить информационная модельконтролируемого объектасистемы.
- Разработать информационную модельсистемы в виде набораматриц, хранящих информацию о состоянии всех объектовсистемы за определенное время.
Объектомисследования являются взаимосвязанные в работе судовые устройства(например, для системыэлектрогидравлического привода руляобъектами исследования являютсягидравлический двигатель, насос, датчикиположений, …).
Методыисследования. В работеиспользованы методы математическогомоделирования, численные методы анализа Расчетыпроводились на ПК, использовались какстандартные пакеты программ, так и программысобственной разработки.
Научная новизнаработы состоит в следующих,выносимых на защиту результатах:
- Введено понятияинформационного пространства дляуправляемого технического объекта.
- Функциональнаясхема системы взаимосвязанных в работеобъектов заменена схемой информационных потоков.
- Информационнаямодель объектов контролируемой системыпредставлена в виде функции связей.
- Предложен способкодирования состояния объектовконтроля.
- Введено понятияматрицы ситуационных кодов объекта.
- Разработанаметодика представления состояниясистемы управления с использованиемситуационныхкодов.
Практическаяценность работы заключается в следующихположениях:
- Разработана схемалокальной сети с учетом судовой специфики–приоритетов контролируемых объектов, позволяющейпостроить систему упреждающегомониторинга.
- Обоснован способкодирования ситуаций на контролируемыхобъектах системы.
- Разработанаметодика оценки информационногопространства вокруг контролируемого объекта, анализкоторого позволит определить момент иместо возникновения нештатных ситуаций в системеавтоматического управления приводомруля.
Обоснованность идостоверность результатов. Достоверностьполученных результатов обеспечивается корректнымприменением методов математическогомоделирования с использованием данных натурныхэкспериментов. Программа мониторингаотлаживалась с использованием общепризнанныхматематических моделей элементовсудовойсистемырулевого привода.
Реализация и внедрениерезультатов работы. Результаты исследованийпредставлены для рассмотрения в Главноеуправление Российского РечногоРегистра.
Апробацияработы. Основные положения ирезультаты диссертационной работыдокладывались и обсуждались на XI Международнойконференции «Устойчивость и колебаниянелинейныхсистем управления» (Москва,ИПУ РАН, 2012); на XXXVIIIВсероссийской конференции по управлению движениемкорабля и специальных подводных аппаратов(Москва, ИПУРАН, 2012), наконгрессе международногонаучно-промышленного форума «Великие реки’ 2012» (Н. Новгород,ВГАВТ, 2012), наконференции «Современные тенденции иперспективыразвития водного транспорта» (г.Санкт-Петербург, СПГУВК,2012), на научно-практической конференции«Информационныеуправляющие системы и технологии»(Одесса, ОНМУ, 2012),на международной научно-техническойконференции «Информационные системы и технологии (ИСТ-2013)» (Н. Новгород, НГТУ, 2013),на XII Международной молодежнойнаучно-техническая конференция «Будущеетехнической науки» (Н. Новгород, НГТУ, 2013), на конгрессе Международногонаучно-промышленного форума «Великиереки’ 2013» (Н. Новгород,ВГАВТ, 2013).
Публикации. Основные результатыдиссертационных исследованийотражены в 11 работах,опубликованных соискателем лично или всоавторстве внаучных изданиях, в том числе в двухстатьях, представленных в Перечнерецензируемых научных журналов. Список публикаций приведен вконце автореферата.
Структура и объемработы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключенияи приложения; содержит 110 страниц текста,18 рисунков, 9таблиц и список литературыиз 90 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общаяхарактеристика работы посозданию системымониторинга дляполученияупреждающей информации о нежелательномразвитии ситуации в работе судовых автоматическихсистем,обосновывается актуальность исследований,раскрывается научная новизна и практическая значимостьполученных результатов, приводятсясведения об их апробации.
В первойглаверассматриваются вопросы построения структурной схемы локальнойсети с учетомсудовой специфики и построения на еёоснове системы мониторингаработоспособности судовых автоматизированных систем.
Для созданиясистемы мониторинга управляющие и контролирующие ЭВМ(или контроллеры) необходимо объединить в локальнуюсеть. Типовая схема организациисети (рис. 1, а)не может бытьрекомендована в связи соспецификой функционирования судна – повышеннымитребованиямик надежности работы систем для обеспеченияжизненной безопасности людей, сохранности исоблюдения сроков доставки груза. Структуру сети организуем с учетомприоритетности судовыхсистем(рис. 1, б,рис. 2).
Определим три уровняприоритетности систем.
Системы(судовые комплексы) высшегоприоритета, к которымвыставляются самые жесткие требования натехническое состояние: движительныйкомплекс (рис. 2, система 1), дизель-генераторнаяустановка (система 2), рулевой привод(система 3). Отсутствие наблюдаемости заобъектами систем высшего приоритета можетпривести к потере управляемости судна,аварийным ситуациям, штрафным санкциям и,как следствие, к экономическим убыткам.
  |
| Рис. 1.Структурные схемы судовой локальнойсети |
 |
| Рис. 2.Схема сбора информации сучетом приоритетов. |
В качестве связующегоэлемента датчиков состояния объектов системы с контроллером, собирающим иобрабатывающим данные для дальнейшей передачиих по коммуникационному каналу (А – длинная линия,последовательная передача данных),используем приемо-передающие модули (п/пмодули 1–6), расположенные внепосредственной близости от объектов контроля.Связь датчиков с приемо-передающимимодулями необходимо организовать по основному ирезервирующему каналам (Б – короткая линия,параллельнаяпередача данных). В случае выхода из строяосновного канала система продолжитфункционирование.
Объекты среднегоприоритета выполняютзначимые функции системы, при выходе их изстроя системы высшего приоритетанекоторое время сохраняют своюработоспособность. Подключение кконтроллеру может быть какнепосредственным, так и через каналы другихобъектов сети.
Объекты низкогоприоритета выполняютфункции, не влияющие на работу систем болеевысокого приоритета. Данные объекты могутподключатьсямагистральным способом через каналыдругих объектов этого же приоритета.Резервирование канала не обязательно.
Учет приоритетностиобъекта даетструктуру системы, представленную на рис. 1,б.
Выводы по главе 1
- Разработана схемасистемы мониторинга, учитывающая судовуюспецифику.Данная структура позволит обеспечитьсвоевременное,бесперебойное получениенеобходимой информации о функционировании систем путем организации:
- дублирующего канала передачиинформации от датчиковдо приемо-передающегоустройства для объектовсистем высшего приоритета;
- возможности передачи информациичерез канал связи другой системы этого жеприоритетадля объектов системсреднего приоритета;
- передачи информациичерез последовательносоединенные приемо-передающие модулибез резервирования каналов для объектовсистем низшего приоритета.
- Данная структура судовойсети позволит:
- поднятьчастоту опроса датчиков более чем напорядок;
- выполнять часть задач мониторинга наконтроллере;
- уменьшить расходы на каналы связисудовых систем с серверной ЭВМ. за счет увеличения числа «кротких» (Б) и уменьшения числа «длинных, коммуникационных» (А) линий.
Во второй главерассматривается методика перехода отфункциональной схемы системы управления кинформационномупространству – пространствуокружения управляемого объекта.Контроль состояния окружения позволитполучить упреждающую информацию овозможномизменении работы системы.
Для решения задачи определениямомента иместавозникновения, а также возможности распространения нештатной ситуациив системе управления предлагается новый способпредставления системы в видеинформационной модели.На примере системыэлектрогидравлического привода руля (рис.3),состоящей из ряда контролируемых объектов, рассматривается методикаперехода из предметной области (конкретныхсудовых объектов и их взаимосвязей) винформационное пространство – пространствосостояний, записанных в виде кодов ипредставленных в матричной форме.
 |
| Рис.3. Функциональнаясхема привода руля: Yi –координаты состояния i-того объектасистемы, Fi – состояние внешнейсреды (напряжение сети), – заданный, – отработанный уголповорота руля. |
Информационноепространство системы представляет собойнабор матриц, хранящих результаты опросадатчиков состояний линий Yi. Fi заопределенный промежуток времени и кодов состоянийлиний: матрица данных текущегоопроса, матрицы состоянийобъектов систем и итоговаяматрица –матрица ситуационных кодов или кодовокружения конкретного объекта, состояниекоторого контролируется.
- Матрица текущих опросов МТО(m)– одномернаяматрица хранит результаты текущего опроса m входных линийи их производных.
Матрица текущихопросовТ а б л и ц а 1
| время | ЛинииY i | ЛинииFi | |||||||||||||
| Заголовки | t | Y1 | dY1/dt | Y2 | dY2/dt | Y3 | dY3/dt | Y4 | dY4/dt | Y5 | dY5/dt | F1 | F3 | F4 | F5 |
| Текущие значениякоординат | 20 | .5 | .05 | 1.5 | 0.15 | … | … | … | … | … | … | 220 (1) | … | … | … |
| Счетчикпозиций m | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
Обозначения: t –текущее время опроса; m –номер элементаматрицы; Y1– F5 – текущие значенияконтролируемых параметров.
В программемониторинга матрица текущих опросовописывается следующими данными:
– массив заголовков столбцов МТО$(15), хранит символьную информацию:
МТО$(1) =«t», МТО$(2) =«Y1», МТО$(3) = «dY1 /dt», …;
–массив данных текущих опросов МТО(m),хранит численные значения контролируемых параметров: МТО(1) =20 (текущеевремя), МТО(2) = 0.5 (значениекоординаты Y1),….
2. Матрицы состоянийобъектов MСО(i,k, j) заполняютсяпрограммой обработки текущихданных матрицы МТО(m) ипредставляют совокупность двумерных матриц,составленных для каждого i -го объектасистемы (рис. 4). Матрицы описываются следующимипараметрами:i – номер объекта,k – счетчикколичества хранимых результатов опросов;j – счетчик столбцовматриц, хранящих информацию, определеннуюмассивом заголовков. Впримерах,рассмотренных в главе 4, imax= 5, kmax= 60,jmax = 17. Матрицы хранятинформацию о значениях физических величин, зафиксированныхдатчиками в течение определенного времени. Кроме этих данных вматрицу каждого объекта заносятсякоды состояния его входных и выходных линий. Расчет этих кодов рассмотренв следующей главе работы.
В программемониторинга матрица состояния конкретногообъектаi* описывается массивом заголовковстолбцов МСО$(i*, j):
МСО$(i*, 1)= «t», МСО$(i*,2)= «Y1», МСО$(i*, 3)= «dY1/dt», …
и массивом данных опросов и рассчитанныхпрограммой мониторинга кодов состоянийвходных и выходных линий МСО(i, k,j).
 |
| Рис.4. Набор матриц состояний объектовсистемы – МСО(i, k, j) |
Матрица состояния дляОК1 Т а б л и ц а 2
| I = 1 | Выходная линия | Входные линии | Кодысостояний линий | ||||||||||
| Кодсостояния объекта 1 (КСО1) | Кодыокружения объекта 1 (КОО1) | ||||||||||||
| Заголовки | t | Y1 | dY1/dt | d2Y1/dt2 | F1 | dF1 | Y2 | dY2/dt | kY 1 | kF1 | kY 2 | ||
| k j | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9-12 | 13 | 14 | 15 | 16-17 |
| 60 | |||||||||||||
| 59 | |||||||||||||
Матрица состояния дляОК2Т а б л и ц а 3
| I = 2 | Выходная линия | Входные линии | Кодысостояний линий | ||||||||||
| Кодсостояния объекта 2 (КСО2) | Кодыокружения объекта 2 (КОО2) | ||||||||||||
| Заголовки | t | Y2 | dY2/dt | d2Y2/dt2 | Y3 | dY3/dt | Y4 | dY4/dt | kY2 | kY3 | kY4 | ||
| kj | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9-12 | 13 | 14 | 15 | 16-17 |
| 60 | |||||||||||||
| 59 | |||||||||||||
| …. | |||||||||||||
Для каждого объекта поданным МСО(i, k, j)составляется матрицаситуационных кодов – кодов окружения объекта, анализизменения которых позволит сделать предсказания дальнейшего его состояния.
3.Матрицы ситуационных кодовМСК(i,j, k,n), или кодов окружения объектов, –следующий блок информационного пространства.Матрицы составляются для каждого объекта системы, и хранят данныео его внешнем окружении – кодах состояний какнепосредственно, так и опосредованно с ним связанныхобъектов.
На первом этапесоставления матриц ситуационных кодов длякаждого объекта системы (см.рис. 3) определимвоздействия, непосредственно влияющие наего координаты состояния, не указывая вид уравненийсвязи (математической модели) ( рис.5).
    |
| Рис.5. Координатывыходов и входов ОК |
Модель связей или схемуинформационных потоков составим, используя данныерис. 5. В качестве примерана рис. 6, 7для ОК1 и ОК2 показаны два вариантамодели связи координатсостояния (Y1 и Y2) с координатамисостояния других объектов.Эти модели определяют пути влияния на ОК1и ОК2 какнепосредственно, так и опосредовано с нимсвязанных в работе объектов. Пунктиром указаны обратные связи– выходная координататретьего объекта Y3 через ОК5 подаетсяна его вход. Модель связей позволитсоставить информационнуюмодель объекта в виде функции связи (1) или (2).
Чем болееопосредованно влияние, тем более дальнююпозицию занимает координата.
(1)
 |
| Рис.6. Модель связейОК1 с окружающей егосредой (Yi),(Fi) |
Для координаты Y2 нарис. 7представленвторой способ изображения моделисвязей и информационной модели (2).
Информационнаямодель в этом случае приметвид
(2)
Такой способ записипозволяет более наглядно показатьсвязь объектов всех уровнейотдаленности.
| Рис.7. Второй способ представления модели связей. n1–1-й уровень, ближайшееокружение, n2 – 2-йи n3 –3-й уровень. |
Информационныемодели будут использоваться при организацииматриц ситуационных кодов каждогообъекта (МСК(i, j, k, n)).Данные матриц фиксируют (ввиде кодов)текущую обстановку на всехвзаимосвязанных в работе объектах. Отслеживая изменение этих кодов вовремени, можно следить за развитием процессов в системе.
На основании (1)или (2) формируемматрицуситуационных кодов МСК(i, k, j)–табл. 4 или МСК(i, k,n, nj)–табл. 5.
В программемониторинга матрица ситуационных кодовописывается массивом заголовков столбцовМСK$(i, n, j) и массивомМСK(i, k, n, j) – кодов состояний,перенесенных из всех матриц МСО(i, k,j).
Матрица ситуационныхкодов для ОК1 Т а б л и ц а4
| Кодысостояний взаимосвязанныхс ОК1 объектовYi и линий Fi KCYi(t) и KCFi(t) | Ситуацион- ный кодокру- жения ОК1 | ||||||||||||||
| Заголовки | t | Y1 | F1 | Y2 | Y4 | F4 | Y3 | F3 | Y0 | F0 | Y1 | Y5 | F5 | Y3 | Кодсостояния системы |
| k j | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 60 | 22 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0011010000000 |
| 59 | 21.5 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 111010101001 |
| 58 | 21.0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 111111111111 |
Матрица ситуационныхкодов для ОК2 Т а б л и ц а5
| Уровни(n) | 0 | 1 | 2 | 3 | ||||||||||
| Заголовки | t | kY2 | kY3 | kY4 | kF4 | kF3 | kY0 | kY1 | kY5 | kF0 | kF1 | kY2 | kF5 | kY3 |
| k nj | 1 | 2… | 1 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 60 | 22 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 59 | 21.5 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 58 | 21.0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Выводы по главе 2
- Введение понятийинформационной модели, матриц текущихопросов, матриц состояний и матрицситуационных кодов объектов позволяет состояниесистемы представить в виде кодового набораинформации о протекающих в ней процессах.
- Анализ измененияданных матрицы ситуационных кодов позволяет определить место и времяпоявления нештатнойситуации, возникшей налюбом отдалении от контролируемогообъекта.
В третьей главерассматривается методика переносаи принципкодирования информации, основанный на анализе вторыхпроизводных координаты состояний. Такойанализ обоснован тем, чтопервая (в меньшей) и втораяпроизводная (в большейстепени) имеют перепадызначений,если закон изменения координаты состоянияменяется.
В работе рассмотрена ситуация дляминимального количества уровней состояний
.Код состояния kYпринимается за «1» –процесс развивается нормально, если значения второйпроизводной измеряемойкоординаты не выходят за допустимыепределы:
, (3)
в иныхситуациях:
(4)
(5)
где – экспериментально полученнаявеличина максимального значения углового ускорениявыходного вала в рабочем режиме. Эта величина длякаждой контролируемой координаты являетсяуникальной.
На рис. 8 представленкачественный вид осциллограмм для ситуации:понижения напряжениясети.
Рис. 8. Качественныйвид осциллограмм изменениякоординат состояния
После кодированияосуществляется распределение информациипо матрицам. Методикапереноса информации после заполненияМТО основана насовпаденииимен столбцов матриц МТО,МСО, МСК.
1-я процедура: результатытекущего опроса заносятся в матрицуМТО, первая строка которойявляется строкой имен столбцов матрицы.
Массив заголовковстолбцов МТО(m):
МТО$(m)={t,Y1, dY1dt,d2Y1dt2, Y2, dY2/dt,d2Y2dt2, Y3,dY3/dt,d2Y3dt2,Y4,….
2-япроцедура: переносинформации из МТО в матрицы состоянийобъектов, в строку текущего состояния,k = kmax.
Массивзаголовков столбцов матрицсостояний объектов:
МСО$(1,j)= {t, Y1,dY1dt,d2Y1/dt2,F1, dF1/dt, Y2,dY2/dt, d2Y2/dt2,0, 0, 0,0, kY1,kF1,,.... МСО$(2, j)= {t, Y2,dY2/dt, d2Y2/dt2, Y3,dY3/dt, d2Y3/dt2,Y4, dY4/dt,d2Y4/dt2, 0,0, 0, 0,….МСО$(3, j)=…,МСО$(4, j)=…,МСО$(5, j)=….
Распределениеинформации по матрицам МСО(i, k, j) осуществляетсяследующим образом:
- Последовательно(от m =1 до m =mmax) из МТО(m) выбираем данные столбца, имякоторогозапоминаем МТО$(m*).
- Последовательнодля I =1 до imax перебираем номера j заполняемых столбцов матрицы МСО$(i,j), сравниваем МТО$(m*) с МСО$(i*, j*) при совпаденииимён осуществляем перенос данных, предварительно осуществляем сдвиг старых данныхвниз:
If MTO$(m)= MCO$( i, j) then
МСО(i,kmax-1, j) =МСО(i, kmax, j)
MCO( i,kmax, j)= MTO(m)
end if
Втораячасть матриц – «коды состояниялиний» с j = 13–17заполняется после анализа икодированияданных всех матриц.
3-я процедура: перенос информации из МСО(i, k, j) в матрицуситуационных кодов объектов МСК(i, k, j), при первомспособе описания системы, илиМСК(i, k, n, nj)при втором, многоуровневом, способе, осуществляется аналогичным образом.
Массив заголовковстолбцов МСК$(i, n, nj):
МСК$(i,n, nj) ={t, kY2,kY3, kY4, kF4, kF3, kY0, kY1, kY5, kF0, ….}.
При совпадении имензаголовков осуществляется процедурапереноса кодов
If МСК$(i, n, nj) = MCO$(i,j) then
МСК(i, kmax,n,nj)= МСО(i, kmax, j)
end if
Послезаполнения текущей строкиМСК код окружения контролируемогообъектасравнивается с предыдущимкодом и в случае ухудшения ситуации обакода (значения информационной функции) передаются в базузнаний для оценкиразвитияпроцесса и возможныхпоследствий.Примеры кодов МСК припонижении напряжения сети даны в табл. 6,7.
Первый способпредставления информационногопространства Та б л и ц а 6
| Коды состояний взаимосвязанных сОК1 объектовYi и линийFi | Ситуационный код окружения ОК1 | ||||||||||||||
| Заголовки | t | Y1 | F1 | Y2 | Y4 | F4 | Y3 | F3 | Y0 | F0 | Y1 | Y5 | F5 | Y3 | Кодсостояния ОК1 |
| k j | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 60 | 21.5 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1011010101101 |
| 59 | 21 | 2 | 0 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 2 | 0 | 0 | 2002000002200 |
| 58 | 20.5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0010020000002 |
| 57 | 20 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1111111111111 |
Второй способпредставления информационногопространства Т а б л и ц а 7
| Уровни (n) | 0 | 1 | 2 | 3 | ||||||||||
| Заголовки | t | Y2 | Y3 | Y4 | F4 | F3 | Y0 | Y1 | Y5 | F0 | F1 | Y2 | F5 | Y3 |
| k nj | 1 | 2… | 1 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 60 | 21.5 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 59 | 21.0 | 2 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 | 2 | 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 58 | 20.5 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 |
| 57 | 20.0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Значениеинформационной функции(2)
до t<20с 
. На следующемопросе фиксируются изменениясостояния на линиях,которые в дальнейшем развиваются по новому сценарию. Если код в столбце меняется по закону «111022011», или «111200211», тосостояние линии возвращается в исходное.
Выводы по главе 3
- Анализ второйпроизводной координаты состояния даетдостоверную информацию опротекающих процессах в системе.
- Заменафизических значений координат кодамипозволяет значительноупростить процедуру определения момента и меставозникновения нештатной ситуации всистеме.
- Каждойотклоненной от нормы последовательности кодов в базе знанийдолжна соответствовать определеннаятекстовая информация. Этот текст долженнести информацию осостоянии объектов системы, времени, местеи причине возникших отклонений и о возможномнаправлении развитияситуации.
В четвертой главерассматриваются примерырасчетов различных нештатных ситуаций, оценивается возможностьнеоднозначной интерпретации ситуационныхкодов, чувствительность метода, возможность оценкивозврата в штатный режим, возможностьоценки нештатной ситуации при отсутствииреакции объекта, но значительных удаленныхпоследствиях.
Пример 1. Падение напряжениясети.
Моделированиеданной ситуации на ЭВМ дало следующиезависимости:
Рис. 9. Уровень перепадовускорений
при различных перепадахнапряжения сети
Рис. 10. Изменениепоказателей работы привода
при различных перепадахнапряжения сети
Падение напряжениясети на 5%.
ДанныеМТО(m)
T Y0 Y1 dY1d2Y1Y2d Y2 d2Y2 Y3dY3 d2Y3 Y4dY4d2Y4 Y5 dY5d2Y5 F1 F3F4 F5
19.96 10. 1.480.06-0.001 4.96 0.22 -0.01 4.41 -0.17 0.00 1.00 0.000.00 1.76 -0.07 0.00 1 1 1 1
19.98 101.49 0.06 -0.003 4.96 0.22-0.01 4.40 -0.17 0.001.000.00 0.00 1.76 -0.07 0.00 0 0 0 0
20.00 101.4 -3.66 -186.46 4.970.22 -0.00 4.40 -0.16 0.44 0.95 -2.50 -125.00 1.67 -4.47 -220.12 1 11 1
20.02 10 1.41 0.06 186.13 4.970.20 -0.55 4.40 -0.06 5.41 0.95 0.00 125.00 1.67 -0.02 222.52 1 11 1
20.04 10 1.41 0.06 -0.003 4.98 0.20-0.00 4.40 -0.06 -0.02 0.95 0.000.00 1.67 -0.02 -0.01 1 1 1 1
Вприведенных данных отмеченоповедение d2Yi/ dt2 – уровниреакций – навозникшую ситуацию.
Данные матрицыситуационных кодов дляОК1Т а б л и ц а 8
| Кодысостояний взаимосвязанных с ОК1 объектов Yi и и линий Fi | Ситуационныйкод окружения ОК1 | ||||||||||||||
| Заголовки | t | Y1 | F1 | Y2 | Y4 | F4 | Y3 | F3 | Y0 | F0 | Y1 | Y5 | F5 | Y3 | Кодсостояния ОК1 |
| k j | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 20.04 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1111111111111 | |
| 60 | 20.02 | 2 | 1 | 0 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2 | 2102121210012 |
| 59 | 20.0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2 | 1 | 0 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 0100121012212 |
| 58 | 19.98 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1011010101101 |
| 57 | 19.9620 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1111111111111 |
Пример 2. Падениеоборотов насоса на 50%.
T Y0 Y1 dY1 d2Y1 Y2 d Y2d2 Y2Y3 dY3d2Y3Y4 dY4d2Y4 Y5dY5d2Y5 F
19.96 10 1.48 0.06 -0.00 4.960.22-0.01 4.41 -0.17 0.00 1.00 0.000.00 1.76 -0.07 0.00 1
19.9810 1.49 0.06-0.004.96 0.22 -0.01 4.40 -0.17 0.00 1.000.000.00 1.76 -0.07 0.00 1
20.0010 1.49 0.06 -0.00 4.970.22-0.00 4.40 -0.17 0.00 0.50 -25.00-1250.001.76-0.070.00 1
20.02101.49 0.03 -1.65 4.970.11-5.514.40-0.17 0.00 0.50 0.00 1250.001.76 -0.07 0.001
20.04101.49 0.03 -0.00 4.970.11-0.00 4.39 -0.17 0.02 0.50 0.000.00 1.75-0.070.01 1
Пример 3.Падение оборотов насоса на5%.
T Y0 Y1 dY1 d2Y1 Y2 d Y2d2 Y2Y3 dY3 d2Y3Y4 dY4d2Y4 Y5dY5d2Y5F
19.9810 1.490.06 -0.004.96 0.22 -0.014.40-0.17 0.001.000.00 0.0021.76 -0.070.00 1
20.0010 1.490.06 -0.00 4.970.22-0.004.40-0.170.000.95 -2.50 -125.00 1.76 -0.070.001
20.0210 1.490.06 -0.16 4.970.20-0.564.40 -0.17 0.000.950.00 125.00 1.76 -0.070.001
20.0410 1.490.06 -0.00 4.980.20 -0.00 4.39 -0.17 0.000.95 0.00 0.0011.75 -0.070.001
Сравнениеданных примеров 2, 3 показывает хорошую чувствительностьметода кодирования информации поизменению второй производной.
Пример 4Падение оборотов насоса на5% и возврат в исходноеположение.
TY0 Y1 dY1 d2Y1 Y2 d Y2d2 Y2Y3 dY3 d2Y3Y4 dY4 d2Y4 Y5 dY5d2Y5 F
19.9810 1.490.06 -0.004.96 0.22-0.01 4.40 -0.170.00 1.00 0.000.002 1.76 -0.070.00 1
20.0010 1.490.06 -0.00 4.970.22 -0.00 4.40-0.17 0.00 0.95-2.50-125.00 1.76 -0.070.00 1
20.0210 1.490.06 -0.16 4.97 0.20-0.56 4.40-0.17 0.000.95 0.00 125.00 1.76 -0.070.00 1
20.0410 1.490.06 -0.00 4.980.20 -0.00 4.39-0.17 0.000.95 0.000.001 1.75 -0.070.00 1
……
20.9810 1.550.06-0.00 5.17 0.20 -0.004.23-0.17 0.000.95 0.00 0.001.69-0.06 0.00 1
21.0010 1.55 0.06 -0.005.17 0.20 -0.00 4.23 -0.17 0.001.00 2.50 125.00 1.69 -0.06 0.00 1
21.02101.550.06 0.155.18 0.21 0.524.22-0.17 0.001.00 0.00 -125.00 1.69 -0.06 0.00 1
Метод фиксирует изменение ивозврат системы в исходноеположение.
Пример5.Нарушение контактов датчикаположения руля.
dt опроса = 0.02c, n = 1 – количествонарушений за 1 с
TY1 dY1 d2Y1 Y2 d Y2 d2 Y2 Y3 dY3 d2Y3Y4 dY4 d2Y4 Y5 dY5d2Y5
20.06 0.000.00 0.00 4.980.22 0.04 4.47 0.85-0.23 1 0.00 0.00 1.790.34 -0.09
20.08 1.49 74.85 3742.5 4.990.22 0.04 4.49 0.84-0.23 1 0.00 0.00 1.790.33 -0.09
20.10 1.49 0.06 -3739.2 4.990.22 0.01 4.49 -0.20 -52.63 1 0.000.00 1.79 -0.08 -21.05
20.12 1.500.06 -0.00 4.99 0.22-0.014.48 -0.20 0.01 1 0.000.00 1.79 -0.080.00
20.14 1.500.06 -0.00 5.00 0.22-0.014.48 -0.20 0.01 1 0.000.00 1.79 -0.080.00
20.16 1.500.06 -0.00 5.00 0.22-0.014.47 -0.20 0.01 1 0.000.00 1.79 -0.080.00
20.18 0.00 -75.12 -3759.4 5.01 0.22-0.014.47 -0.20 0.01 1 0.000.00 1.79 -0.080.00
20.20 0.00 0.003756.0 5.010.22 0.01 4.49 0.84 52.64 1 0.000.00 1.79 0.33 21.05
20.22 0.000.00 0.00 5.020.22 0.04 4.50 0.84 -0.231 0.00 0.00 1.800.33 -0.09
Изменение динамики Y2(t) не фиксируются(признак d2Y2/dt2 0), нопоказатели статического состояниязначительно изменяются.
Пример6. Обрыв канала обратнойсвязи.
TY1dY1 d2Y1 Y2 dY2 d2 Y2Y3 dY3 d2Y3 Y4 dY4 d2Y4Y5 dY5d2Y5
19.98 1.490.06 -0.00 4.960.22 -0.014.40 -0.17 0.00 1.00 0.000.00 1.76 -0.07 0.00
20.00 0.00 -74.51 -3729.20 4.970.22 -0.004.40 -0.17 0.00 1.00 0.000.00 1.76 -0.07 0.00
20.02 0.000.00 3725.89 4.97 0.22 0.01 4.420.86 52.21 1.00 0.00 0.001.76 0.34 20.88
20.04 0.000.00 0.004.98 0.22 0.04 4.44 0.86 -0.241.00 0.00 0.00 1.77 0.34-0.09
20.06 0.000.00 0.004.98 0.22 0.04 4.45 0.85 -0.241.00 0.00 0.00 1.78 0.34-0.09
Анализрезультатов5-го и 6-гопримеров показывает, что методфиксирует ситуацию, когда
реакция объекта в ближайшее время отсутствует, но отдаленные последствия значительные.
Рис. 11. Динамикаразвития процесса при возникновениинештатных ситуаций
Коды различных нештатныхситуаций Т а б л и ц а9
| Временная последовательностьситуационных кодов при появлениинештатных ситуаций | ||
Y2 {Y3 Y4 F4 F3 Y0 Y1 Y5 F0 F1 Y2 F5 Y3} | ||
| ПОНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ НА5% | Y2  f{...} | 1 111111111111 |
| 1 110011101101 | ||
| 0201100011012 | ||
| 0221122211012 | ||
| 1 111111111111 | ||
| ПАДЕНИЕ ОБОРОТОВ ПРИВОДА НАСОСА50% | Y2 | 1111111111111 |
| 1100111111111 | ||
| 0121110111011 | ||
| 1211111211112 | ||
| 1211111211112 | ||
| 1211111211112 | ||
| 1111111111111 | ||
| ПАДЕНИЕ ОБОРОТОВ ПРИВОДА НАСОСА5% | Y2 | 1111111111111 |
| 1100111111111 | ||
| 0121110111011 | ||
| 1 111111111111 | ||
| НАРУШЕНИЕ КОНТАКТОВ ДАТЧИКАПОВОРОТА РУЛЯ | Y2 | 1111111111111 |
| 1111112111111 | ||
| 1011110111110 | ||
| 1111111111111 | ||
| 1 111111111111 | ||
| 1111110111111 | ||
| 1211112111112 | ||
| 1111111111111 | ||
| ОБРЫВ КАНАЛА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ | Y2 | 1111111111111 |
| 1111110111111 | ||
| 1211112211112 | ||
| 1 111111111111 | ||
| НАРУШЕНИЕРЕЖИМА РАБОТЫ И ВОЗВРАТ В ИСХОДНОЕСОСТОЯНИЕ | Y2 | 1111111111111 |
| 1111110111111 | ||
| 1211112211112 | ||
| 1 111111111111 | ||
| ………………….… | ||
| 1111112111111 | ||
| 1011110011110 | ||
| 1111111111111 | ||
Выводы по главе 4
- Каждая нештатная ситуация, неприводящая или приводящая к изменениюпоказателейработы электрогидравлического приводаруля, имеет различныенаборы ситуационных кодов и, таким образом, являетсяопределяемой. Неоднозначная интерпретация ситуаций исключена.
- Метод чувствителен к малейшимотклонениям развитияпроцесса от штатного.
- Ситуация временного нарушения протекания процесса и возвратаего в исходный режим определяется.
- Определяются ситуации, когда реакцияобъекта отсутствует, несмотря наналичие неисправности всистеме (нарушениеконтактов датчиков).
- Определяется ситуации, когда при наличиинеисправности в системеближняя реакция объектаотсутствует призначительных отдаленныхпоследствиях (обрыв каналаобратной связи).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИВЫВОДЫ
Основным результатомдиссертационной работы является решениенекоторых задач создания системымониторинга и прогнозированияработоспособности автоматических системуправления судовымоборудованием.
- Разработанаструктурная схема судовойлокальной сети с учетомспецифики функционирования судна– приоритетовконтролируемых объектов. Схема обеспечивает высокую надежность полученияинформации ипозволяет построить системуупреждающего мониторинга.
- Разработанспособ представления функциональной схемыконтролируемой системы управления в видесхемы информационного потока.
- Предложен способкодирования ситуаций на контролируемыхобъектах системы по анализу изменениявторой производной координатысостояния.
- Введено понятиеинформационной модели объектасистемы.
- Введенопонятие информационного пространства длятехнического объекта иразработана методикасоставления матрицы ситуационныхкодов окружения объекта, анализкоторойпозволяет определить момент, место и типнештатной ситуации.
Таким образом, итогомпроведенных исследований являетсясоздание механизма получения упреждающейинформации о возможном развитии возникшейнештатной ситуации в контролируемойсистеме, что позволит повысить техническуюбезопасность плавания судов.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХРАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации врецензируемых изданиях, рекомендованныхВАК
- Чиркова, М.М. Модель системысбора и обработки данных дляпрогнозирования технического состояния привода рулясудна / М.М. Чиркова, Г.А. Гора // Речнойтранспорт (XXI век). – 2013. – № 5. – С. 71–75.
- Гора, Г.А. Построение локальнойсети для диспетчерской службы управленияэнергообъектами / Г.А. Гора // Журналуниверситета водных коммуникаций. – 2012.– Вып. 1 (13). – С. 31–34.
Публикации в журналахи сборниках научных трудов
- Гора, Г.А. Принцип построенияалгоритма контроля состояния объектовсистемы с переменной структурой / Г.А. Гора //Устойчивость и колебания внелинейных системах управления: тез. докл.XII Междунар.конф. – М.,2012. – С. 94.
- Гора, Г.А. Организация архитектуры судовойлокальной информационно-управляющей сети /Г.А.Гора, Е.Н. Поселенов, А.В. Соловьев, М.М.Чиркова //Управление движением корабля испециальных подводных аппаратов: материалыXXXVIII Всерос.конф. – Пос.Номомихайловский, Краснодарский край.–2012. – С. 59–61.
- Гора, Г.А. Организацияинформационно-управляющей системы насудне с учетом приоритета управляемых объектов / Г.А.Гора // Труды 14-го Междунар. науч.-промыш.форума«Великие реки-2012»: материалы науч.-метод.конф. профес.-препод. состава, аспир., спец-тов истуд. «Проблемы использования иинновационного развития внутренних водных путей вбассейнах великих рек». – Н. Новгород, 2012.– Т. 1. – С.59–61.
- Гора, Г.А.Использование информационных технологий вмногоуровневых системах управления /Г.А.Гора,И.И.Кочергин, Е.Н. Поселенов // Труды 14-гоМеждунар. науч.-промыш. форума «Великиереки-2012»: материалы науч.-метод. конф.профес.-препод. состава, аспир., спец-тов истуд. «Проблемы использования иинновационного развития внутренних водныхпутей в бассейнах великих рек». – Н. Новгород,. 2012.– Т. 1. – 61–63.
- Гора, Г.А. Принципы организацииинформационно-управляющей системы насудах / Г.А. Гора // Современные тенденции иперспективы развития водного транспортаРоссии:материалыIII межвуз.науч.-прак. конф. студ. и аспир. – СПб., 2012. – С.236–240.
- Гора, Г.А. О некоторых особенностяхорганизации судовой локальной сети / Г.А. Гора //«Iнформацiйнiуправляючiсистеми та технолгоi»: матерiали Всеукранско науково-практично конференцi, 17-18 жовтня 2012., Одесса. – Суми: ТОВ«Друкарський дiм «Папiрус». 2012. – С. 93–94.
- Гора, Г.А. Об одном подходе канализу и прогнозированию развитиянештатных ситуаций в сложных технических системах/ Г.А. Гора // Информационныесистемы и технологии ИСТ-2013: материалы XIX Междунар.науч.-техн. конф. – Н. Новгород, 2013. – С. 326.
- Гора, Г.А. О некоторых задачах,решаемых судовой локальной вычислительной сетью / Г.А.Гора, Е.Н. Поселенов, А.В. Соловьев, М.М.Чиркова // Информационные системы итехнологии ИСТ-2013: материалы XIX Междунар.науч.-техн. конф. – Н. Новгород, 2013. – С. 127.
- Гора, Г.А. К вопросу расширениявозможностей судовой локальной сети / Г.А.Гора, Е.Н. Поселенов, А.В.Соловьев // Будущеетехнической науки: сб. матер. XII Междунар.молодеж.науч.-техн. конф. – Н. Новгород, 2013. – С. 20–21.
