книги / Диагностические модели и методы повышения контролепригодности элементов и устройств распределенных информационно-управляющих систем на основе комбинирования логик

Рис. 2.8. Варианты функции принадлежности входных и выходных лингвистических переменных

Li max < L(i+1) max – функции принадлежности соседних термов не соприкасаются (без неопределенности вывода);

Li max = L(i+1) max – функции принадлежности соседних термов соприкасаются (с неопределенностью вывода в точке соприкосновения, поскольку одно значение универсума может соответствовать функциям принадлежности двух соседних термов);

Li max > L(i+1) max – функции принадлежности соседних термов перекрываются (с неопределенностью вывода для интервала значений, поскольку одно значение универсума может соответствовать функциям принадлежности двух соседних термов).

Результат теста определяет степень принадлежности к заданным термам, т.е. вводится неопределенность из-за аддитивного формата критерия оценивания и применения сложных тестов (контролирующих несколько элементарных функций). Снятие неопределенности (дефаззификация) происходит за счет разных алгоритмов «склейки» плюс дополнения информации по каждой функции из разных тестов. Применение диагностической модели на основе нечеткой логики для реализации процедур тестового диагностирования и способов дешифрации и принятия решения по их результатам описано в [123].

Далее предлагается методика синтеза диагностических моделей элементов РИУС для выбранных выше видов математической логики, в которых учитываются их основные особенности.

I. Диагностическая модель с использованием «классической» таблицы функ-

ций неисправности:

1. Определение и задание вариантов дефектов и неисправностей объекта диагностирования.

61

2.Определение совокупности проверяющих тестов.

3.Моделирование всех вариантов дефектов и неисправностей, заполнение таблицы функций неисправности.

4.Реализация процедур тестового диагностирования, обработка и дешифрация их результатов.

5.Поиск в ТФН строки (фрагмента), наиболее соответствующей результатам тестового диагностирования, принятие решения о состоянии объекта контроля.

II. Диагностическая модель с использованием таблицы диагностирования,

заполняемой на основе методов двоичной или многозначной логики:

1.Задание совокупности функций, выбор количества и свойств тестов, формирование и заполнение таблицы диагностирования, определение покрытия.

2.Моделирование вариантов сочетаний результатов тестов (логических условий), оценка вероятностных показателей уверенного принятия решения.

3.Реализация процедур тестового диагностирования, обработка и дешифрация их результатов, заполнение таблицы диагностирования.

4.Поиск в ТД строки (фрагмента), наиболее соответствующей результатам тестового диагностирования, принятие решения о состоянии объекта контроля.

III. Диагностическая модель с использованием таблицы диагностирования, заполняемой на основе методов нечеткой логики:

1.Задание совокупности функций, выбор количества и свойств тестов, формирование и заполнение таблицы диагностирования, определение покрытия.

2.Задание параметров модели нечеткого вывода.

3.Реализация процедур тестового диагностирования, обработка и дешифрация их результатов, заполнение таблицы диагностирования.

4.Дефаззификация результатов, принятие решения о состоянии объекта кон-

троля.

Как будет показано далее, эффективным является совместное использование методов алгебраической и нечеткой логики. Это позволяет, с одной стороны, учесть неопределенность результата вследствие свойств критерия оценивания (аддитивность, линейность), а с другой – получить четкий вывод о техническом состоянии объекта диагностирования в формате выбранной шкалы оценивания.

2.4. Модель и методика расчета обобщенных эксплуатационно-технических показателей элементов и устройств РИУС

Разработанные диагностические модели, алгоритмы тестового диагностирования, методы дешифрации и принятия решения, способы количественной оценки результатов контроля позволяют повысить эксплуатационно-технические показатели надежности элементов систем управления, в частности:

для решения разных задач диагностирования (контроль технического состояния и контроль функционирования [90]) разработаны разные диагностические модели, адекватность которых позволяет повысить эффективность диагностиро-

62

вания за счет активного применения средств диагностирования с учетом соответствующих моделей дефектов;

для проверки правильности функционирования предложены алгоритмы условного и безусловного поиска дефектов заданного класса, которые позволяют уменьшить среднее время диагностирования и количество реализованных тестов;

предложенные способы комбинированного (взаимодополняющего) применения аппарата и методов двоичной и многозначной (в том числе нечеткой) логики дали возможность повысить вероятность точного принятия решения по результатам контроля;

для оценки правильности функционирования элементов систем управления в рамках предложенной иерархической диагностической модели (виды обеспечения, подсистемы видов обеспечения, группы функций, элементарные функции) разработана методика количественной оценки правильности функционирования на основе аддитивного интегродифференциального критерия оценивания, предложена оригинальная методика определения показателей важности критериев. Она может быть использована на разных стадиях жизнедеятельности системы управления (при проектировании, для анализа текущей ситуации, после внесения изменений, для прогнозирования, для проверки на соответствие требованиям, для выбора варианта реализации и т.п.).

Для оценки влияния показателей системы диагностирования на обобщенные

эксплуатационно-технические показатели системы управления и ее элементов предлагается следующая методика расчета, основанная на использовании «классического» подхода теории надежности [38, 63, 104] с учетом особенностей (определение состояний и переходов между ними) выбранного класса объектов.

1.Определяются и описываются n состояний объекта диагностирования Si (элемента, подсистемы, системы управления).

2.Строится диагностическая модель (например, в виде марковской цепи), задаются характеристики переходов qij.

3.Строится система дифференциальных уравнений вида для определения финальных вероятностей нахождения объекта в каждом из состояний P'j(t):

i1

4.Принимается гипотеза, что марковский процесс является стационарным, поэтому финальные вероятности считаются постоянными. С учетом этого стоится система алгебраических уравнений, которая разрешается относительно Pj.

5.Определяются обобщенные показатели надежности, такие как коэффици-

ент готовности Кг, коэффициент технического использования Кти, коэффициент простоя Кп и др.

63

Проиллюстрируем предлагаемую методику на примере элемента РИУС (например, коммуникационное устройство ТЛС-31 в составе подсистемы сбора, передачи и распределения информации РИУС, описанное в приложениях Б и В).

1. Выделим и опишем следующие состояния объекта диагностирования: S1 – объект находится в рабочем режиме;

S2 – объект находится в предусмотренном регламентом режиме диагностирования;

S3 – объект неисправен (неработоспособен, неправильно функционирует) и находится в рабочем режиме;

S4 – объект находится в режиме восстановления (поиск неисправностей, ремонт, замена, проверка качества проведенных работ и т.п.).

2. Для построения графа переходов марковского процесса (рис. 2.9) введем обозначения состояний Si и характеристики переходов qij:

S1 – Р; S2 – Д; S3 – Н; S4 – В;

– переходы в неисправное состояние (из исправного состояния S1 q13 = и; из состояния диагностирования S2 q23 = д);

µ– переходы в рабочее состояние (из состояния диагностирования S2 q21 =

=µд; из состояния восстановления S4 q41 = µв);

– переходы в состояние диагностирования или восстановления (из рабочего

состояния S1 q12 = р; из неисправного состояния S3 q34 = н).

3, 4. Строим систему уравнений с учетом стационарности процесса: µдPд + µвPв – ( р + р)Pр = 0,

рPр – µдPд = 0,

рPр + дPд – нPн = 0,

нPн – µвPв = 0,

Pр + Pд + Pн + Pв = 1.

р

Р

µв

µд

В

р Д

н

д

Н

Рис. 2.9. Граф переходов

64

Результат решения системы уравнений:

Pд = ( рPр)/µд;

Pн = ( рPр)/ н;

Pв = ( рPр)/µв;

Pр + Pд + Pн + Pв = Pр + ( рPр)/µд + ( рPр)/ н + ( рPр)/µв =

= Pр(1 + р/µд + р/ н + р/µв) = 1.

Отсюда определяется выражение для вероятности Pр, а через нее – и для всех остальных:

Pр = 1/(1 + р/µд + р/ н + р/µв) = (µд нµв)/(µд нµв + р нµв + µд рµв + µд н р) = = (µд нµв)/( нµв(µд + р) + µд р(µв + н));

Pд = ( р нµв)/( нµв(µд + р) + µд р(µв + н));

Pн = ( рµдµв)/( нµв(µд + р) + µд р(µв + н));

Pв = ( рµд н)/( нµв(µд + р) + µд р(µв + н)).

Интенсивности переходов определяются как обратные величины к усредненным временным характеристикам процесса:

р = 1/То, где То – наработка на отказ объекта в рабочем режиме;д = 1/Тп, где Тп – время проверки объекта и выявления дефектов в режиме

диагностирования; µд = 1/Тр, где Тр – время перевода объекта в рабочий режим из режима диаг-

ностирования; µв = 1/Тв, где Тв – время восстановления объекта;

р = 1/Тд, где Тд – период проведения регламентных работ с объектом;н = 1/Тн, где Тн – время перевода объекта в режим восстановления из режима

неисправного состояния.

Для упрощения расчетов часть однотипных интенсивностей можно приравнять.

5. Определим обобщенные показатели надежности:

Кг = Pр + Pд; Кти = Pр;

Кп = 1 – Кг = 1– (Pр + Pд) = Pн + Pв.

С учетом полученных соотношений можно на разных этапах (проектирование, эксплуатация, прогнозирование, сравнительный анализ и т.п.) оценить влияние одного или нескольких показателей системы диагностирования на основные

65

обобщенные эксплуатационно-технические показатели системы управления. Для этого разрабатывается и проходит апробацию программный инструментарий.

Основным показателем безотказности является наработка на отказ, для элемента эта характеристика задается производителем и указывается в паспорте (технических условиях). Для всей системы показатели безотказности определяются на основе анализа ее структуры (расчет по эквивалентной схеме [63] замещения или графу марковской цепи [104]). Повысить их значения можно путем выбора более надежного оборудования или вводом резервирования в топологию.

Показатели восстановления определяются средним временем восстановления объекта, которое определяется несколькими факторами (поиск и определение характера неисправности, возможность ремонта или замены, доступ, проверка качества после восстановительных работ и т.п.). Для качественного выполнения указанных процедур проверки исправности (работоспособности) необходимо построить адекватную диагностическую модель. Выделим основные этапы процесса восстановления после неисправности:

1.Подготовка и реализация тестов поиска (тестовое диагностирование).

2.Организация дополнительных измерений.

3.Анализ результатов диагностирования (лог-файлов, отчетов, статистики).

4.Принятие решения (определение места и характера неисправности).

5.Выполнение корректирующих действий (доступ, ремонт, замена, реконфигурация, проверка качества восстановления).

Также на повышение эксплуатационно-технических показателей РИУС существенное влияние оказывают функции системы по диагностированию (профилактическому обслуживанию), в течение которого могут быть оперативно выявлены неисправности, пока не приводившие к отказу, например, за счет углубленного тестирования или прогнозирования. Среднее время, эффективность и точность диагностирования также являются значимыми параметрами для повышения надежности систем управления. Как правило, указанные задачи решаются во время проведения регламентных работ по проверке правильности функционирования, для чего должна быть построена и реализована в соответствующих видах обеспечения системы управления и мониторинга адекватная диагностическая модель. Выделим основные этапы процесса диагностирования:

1.Подготовка и реализация тестов проверки правильности функционирования (тестирование).

2.Сбор и промежуточное хранение результатов тестирования.

3.Обработка, дешифрация и количественная оценка результатов тестирования.

4.Принятие решения о показателях функционирования элементов и всей системы управления.

Средства и инструменты, которые необходимы для проведения процедур диагностирования: специалист-диагност, система управления и мониторинга, систе-

66

Рис. 2.10. Оценка влияния среднего времени восстановления на значение Кг

Из анализа рис. 2.10 можно сделать вывод, что влияние показателей диагностирования для разных параметров имеет разный характер: при увеличении количества сетевых элементов n (см. рис. 2.10, а) и ухудшении наработки на отказ То (см. рис. 2.10, б) оно усиливается (увеличивается производная – угол наклона прямой), а для среднего времени поиска неисправности Тн – остается неизменным

(см. рис. 2.10, в).

Предложенные методика количественной оценки показателей надежности и инструментарий моделирования позволяют проводить синтез и анализ РИУС, варьируя показатели надежности элементов и структуры с целью достижения заданных (требуемых) значений эксплуатационно-технических показателей.

2.5.Выводы по главе

Вглаве приведено описание решения задачи построения и анализа диагностических моделей для контроля технического состояния и контроля функционирования(проверки правильности функционирования) элементов и устройств РИУС.

1. Рассмотрены и проанализированы особенности построения диагностических моделей сложных распределенных объектов. Выполнена классификация и показаны особенности применения логических, логико-параметрических и логи- ко-динамических моделей применительно к объектам рассматриваемого класса.

2. Построена и исследована диагностическая модель для контроля технического состояния элементов и устройств РИУС, что позволило выполнить иерархическое представление структуры объекта диагностирования на уровне компонентов разных уровней, ввести и проанализировать модель дефектов. Предложен метод формального описания состояний диагностической модели на основе графов переходов технических состояний для объектов разного уровня. На основе

67

построенных графов спроектированы и реализованы в конкретном программном обеспечении элементов и устройств РИУС алгоритмы обработки и представления поступающей диагностической информации.

3.Построена и исследована диагностическая модель для контроля функционирования (проверки правильности функционирования) элементов и устройств РИУС, особенностью которой является предложенная функциональная модель иерархического представления объекта диагностирования для описания устройств большой размерности. Для математического описания диагностической модели и

вее рамках – модели дефектов использованы аппарат и методы технической диагностики (адаптированный формат таблицы функций неисправности в совокупности с методами двоичной и многозначной логики при ее формировании), а также аппарат теории нечетких множеств и методы нечеткой логики.

4.Разработана методика синтеза диагностических моделей для решения диагностических задач контроля технического состояния и контроля функционирования. Показаны особенности и область целесообразного применения математических аппаратов двоичной, многозначной и нечеткой логики, а также их комбинирования для повышения адекватности описания объекта диагностирования. Разработаны методы совместного взаимодополняющего применения методов двоичной, многозначной и нечеткой логик для эффективного решения задач технической диагностики, приведены ссылки на иллюстрирующие примеры.

5.Предложены модель и методика расчета основных эксплуатационнотехнических показателей элементов РИУС, особенностью которых являются установление и оценка влияния процедур и характеристик диагностирования на значения основныхпоказателейРИУС, данырекомендациипопрактическомуприменению.

68

Для большинства видов коммуникационного оборудования контролепригодность на этапе эксплуатации обеспечивается в основном поддержкой стандартизированных протоколов модели OSI/ISO [23] и возможностью подключения измерительной техники [143]. Однако если на этапе разработки оборудования это не было предусмотрено или протоколы разных СУМ в составе РИУС не совместимы, то возникает задача построения контролепригодной архитектуры многоуровневой системы управления, в которой предусматриваются средства адаптации (преобразования) информации между разными протоколами взаимодействия [143]. Указанные процедуры совмещения нестандартных протоколов управления рекомендациями и стандартами (TMN, ISO, IEEE и др.) не предусмотрены. Поэтому одним из основных результатов, представленных в данной главе, является разработка методов и рекомендаций по информационным, программным и техническим решениям повышения контролепригодности элементов и устройств СУМ в составе многоуровневой РИУС.

3.1.Общий подход к повышению контролепригодности элементов, устройств

иструктур распределенных информационно-управляющих систем

Термин «контролепригодность» вводится в технической диагностике, а его аспекты и показатели описываются в ГОСТ 26656-85 «Техническая диагностика. Контролепригодность. Общие требования». Контролепригодность понимается как «приспособленность к диагностированию». Контролепригодное проектирование подразумевает придание объекту диагностирования свойств, повышающих удобство проверки его состояния, на этапе его разработки либо эксплуатации.

Контролепригодность складывается из таких свойств объекта контроля, как

управляемость, наблюдаемость и тестопригодность. Управляемость позволяет активно и полно обеспечивать установку необходимых для диагностирования параметров (например, устанавливать значения переменных информационной структуры объекта или его параметров, загружать конфигурационные файлы, использовать шаблоны и т.п.). Наблюдаемость обеспечивает выгрузку информации с результатами проведения тестового эксперимента для ее дальнейшей обработки и анализа (например, доступ к просмотру определенных свойств, чтение лог-файлов, возможность подключения измерительной аппаратуры и т.п.). Тестопригодность дает возможность эффективной реализации процедур синтеза тестов и достоверного анализа результатов с заданной глубиной локализации дефектов (например, взаимоувязанность структуры объекта контроля и методов диагностирования).

Цели контролепригодного проектирования технических объектов:

увеличение глубины локализации, ускорение процедур обнаружения/поиска и расширение спектра обнаруживаемых дефектов (неисправного состояния элементов, неправильного функционирования и т.д.) за счет «удобного» для контроля внутреннего представления объекта и обеспечения доступности компонентов его структуры;

70