Разработка алгоритмического обеспечения информационно-измерительной системы обнаружения критических режимов функционирования модульной котельной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

разработка алгоритмического обеспечения информационно-измерительной системы обнаружения критических режимов функционирования модульной котельной установки

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)

Коток Юрий Иванович

Тамбов 2012

Работа выполнена на кафедре «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» (КРЭМС) в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).

Научный руководитель Павлов Владимир Иванович,

доктор технических наук,

профессор кафедры КРЭМС ФГБОУ ВПО

«ТГТУ»

Официальные оппоненты: Кудинов Юрий Иванович,

доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО «Липецкий государствен-

ный технический университет»,

заведующий кафедрой информатики

Дмитриев Олег Сергеевич,

доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО «Тамбовский государствен-

ный технический университет»,

профессор кафедры «Физика»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Пензенский государствен-

ный университет», г. Пенза

Защита диссертации состоится 20 декабря 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.05 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», Большой актовый зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская,

д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета З.М. Селивановой.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Автореферат разослан 19 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук З.М.Селиванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Увеличение количества модульных котельных установок (МКУ) для различных вариантов теплоснабжения жилых и производственных зданий является устойчивой тенденцией на протяжении последних 20 лет, как за рубежом, так и в России. МКУ оборудуются системой удаленной диспетчеризации, которая обеспечивает вывод всех технологических параметров котельной на удаленный диспетчерский пульт и позволяет удаленно управлять режимами работы котельной. Система автоматики совместно с системой удаленной диспетчеризации, реализованной на базе ПЭВМ, образуют информационно-измерительную и управляющую систему (ИИУС) МКУ.

Частью ИИУС является информационно-измерительная система (ИИС) МКУ, предназначенная для автоматического получения количественной информации непосредственно от элементов МКУ, путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности чисел, выражений, графиков, отражающих состояние МКУ. Информация, полученная на выходе ИИС, используется для выработки решения либо оператором, либо системой автоматического управления. МКУ оборудуются системой удаленной диспетчеризации, которая обеспечивает вывод всех технологических параметров котельной на удаленный диспетчерский пульт и позволяет удаленно управлять режимами работы котельной.

Воздействие неблагоприятных факторов (высокие давления и температуры рабочей среды, износ, старение элементов и др.) как отдельно, так и в совокупности приводят к возникновению аварий и инцидентов при эксплуатации МКУ. Аварии и инциденты, как правило, происходят внезапно, а их возникновение обуславливает скачкообразный характер изменения соответствующих контролируемых параметров. Для предотвращения возможных аварий и инцидентов в МКУ предусматривается ряд мер, часть из которых, относящаяся к ИИС, заключается в назначении диапазонов изменения контролируемых фазовых координат и их производных. Воздействие неблагоприятных факторов также приводит к появлению постепенных отказов элементов МКУ. Остановка МКУ также может быть вызвана отказом в ИИС. Под отказом в ИИС понимаются возможные скачкообразные или плавные изменения характеристик измерителей, которые вызывают несанкционированные изменения структуры как измерителей, так и ИИС. Состояние, когда возможен выход контролируемого параметра за пределы установленного диапазона в результате постепенного отказа, называется критическим режимом функционирования МКУ.

В настоящее время задача обнаружения постепенных отказов элементов МКУ и измерителей из состава ИИС не имеет удовлетворительного для практики решения.

Своевременное обнаружение постепенных отказов является актуальной практической задачей во многих предметных областях. В теоретическом плане данная практическая задача решается методами анализа временных рядов. А.Н.Колмогоровым была осуществлена строгая постановка, а А.Н.Ширяевым был разработан оригинальный метод определения моментов изменения свойств винеровского случайного процесса. Само изменение свойств случайных процессов было названо «разладкой». При функционировании МКУ и ее ИИС в условиях воздействия совокупности неблагоприятных факторов необходимо не только инциденты и аварии, но и предпосылки к ним обнаруживать с минимально возможной задержкой. Поэтому обнаружение моментов изменения свойств случайных процессов необходимо осуществлять методами последовательного статистического анализа, при которых интервал наблюдений (длина выборки) заранее не устанавливается.

Для всех последовательных методов обнаружения «разладки» характерно определенное запаздывание, среднее время которого характеризует качество алгоритма. Применяемые при этом методы кумулятивных сумм, скользящего среднего, экспоненциального взвешивания и их многочисленные вариации практически достигли своих потенциальных характеристик. Данные характеристики являются неудовлетворительными при эксплуатации МКУ. Поэтому сокращение времени обнаружения постепенной «разладки» математического ожидания или дисперсии случайного процесса является актуальной научной задачей.

Объект исследования - информационно-измерительная система модульной котельной установки.

Предмет исследования - алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной системы МКУ.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности информационно-измерительной системы модульной котельной установки за счет сокращения промежутка времени, требуемого для обнаружения критического режима функционирования МКУ, путем совершенствования её алгоритмического обеспечения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить основные факторы, влияющие на надежность МКУ;

- обосновать применяемый научно-методический аппарат (НМА), осуществить постановку задачи исследования;

- разработать модели процессов в МКУ при обнаружении постепенных негативных изменений фазовых координат;

- выявить признаки, сопутствующие постепенному негативному изменению характеристик фазовых координат МКУ;

- разработать модели индикаторов сопутствующих признаков;

- разработать метод ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ;

- разработать алгоритмическое обеспечение ИИС МКУ;

- оценить эффективность информационно-измерительной системы МКУ.

Методы исследования: системный анализ; полунатурное, математическое и компьютерное моделирование; теория последовательного анализа; технологии проектирования информационно-измерительных систем.

Научная новизна:

- на основе байесовского подхода разработан метод ускоренного обнаружения начала постепенного негативного изменения характеристик фазовых координат МКУ, базирующийся на совместном использовании измерителей фазовых координат МКУ и индикаторов сопутствующих признаков, отличающийся оперативно изменяемым порогом обнаружения в зависимости от функции потерь при принятии неправильных решений;

- разработано алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной системы МКУ, реализующее метод ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ;

- разработана информационно-измерительная система МКУ, отличающаяся наличием индикаторов сопутствующих признаков и дополнительным алгоритмическим обеспечением, реализующим метод ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ.

На защиту выносятся:

- метод ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ;

- алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной системы МКУ, реализующее метод ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ;

- информационно-измерительная система МКУ.

Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанное алгоритмическое обеспечение позволяет сократить до 40 % длительность задержки при обнаружении негативных постепенных изменений фазовых координат, что существенно сокращает затраты на эксплуатацию МКУ. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ФГБУ «Тамбовмелиоводхоз», ОАО «Модульные котельные», на кафедре КРЭМС ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Апробация результатов исследования. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на 3-й Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернадского» (Тамбов, 2008), IV-й Международной конференции-выставки (Москва, 2008), Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Тамбов, 2011), 23-й Всероссийской НТК школы-семинара «Передача, прием, обработка и отображение информации о быстропротекающих процессах» (Сочи, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения трех глав, заключения, списка литературы, трех приложений, изложена на 120 страницах и содержит 12 рисунков, 3 таблицы, список литературы включает 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

модульный котельный установка фазовый

Во введении обоснована практическая и научная актуальность темы диссертации, определены объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость проводимых исследований.

В первой главе дана характеристика МКУ и проблем их эксплуатации, проведен анализ надежности МКУ на множестве состояний функционирования. Введено понятие «критического режима функционирования» применительно к МКУ. Под критическим режимом функционирования понимается состояние МКУ, в котором хотя бы один из контролируемых параметров находится в «зоне непосредственной близости» от границы допустимого диапазона изменения и с заранее назначенной вероятностью достигнет этой границы. В качестве «зоны непосредственной близости» в диссертации выбрано диапазона изменения контролируемого параметра соответственно от нижней и верхней границ диапазона.

Конкретизировано понятие «информационно-измерительная система» применительно к МКУ, проведен обзор существующих ИИС, применяемых в МКУ, и средств их разработки. Проведен обзор инструментальных проблемно-ориентированных средств, используемых при разработке алгоритмического обеспечения ИИС. Сделан вывод о том, что в настоящее время средства разработки ИИС МКУ в составе ИИУС получили удовлетворительное для практики развитие.

В соответствии с системным подходом определен состав ИИС МКУ и приведены модели процессов в ИИС в различных условиях эксплуатации. Показано, что при построении моделей процессов в ИИС в различных условиях эксплуатации МКУ могут быть использованы программы для создания всережимных математических моделей теплоэнергетических объектов, например, программа Boiler Designer российской компании «OptSim-K».

Приведены и проанализированы модели измерений в ИИС МКУ. Показана целесообразность описания функционирования измерителя, как технического устройства, в соответствии с режимами: нормальной работы; аномальных измерений при наличии отказов; неинформативных измерений. В качестве основных проанализированы модели: неравноточных измерений; случайных пропаданий сигнала; ложных измерений. Показано, что аномальные измерения, заключающиеся в скачкообразном изменении параметров измерителя или его выходного сигнала и производных, превышающих ограничения, могут быть обнаружены с помощью данных измерителей. Однако, постепенные изменения внутренних характеристик измерителей из-за износа, агрессивного влияния окружающей среды, скрытых внутренних дефектов или развитие процессов по ложным траекториям в критических режимах функционирования МКУ, с помощью измерителей, как правило, не обнаруживаются.

Проведен анализ методов обнаружения отказов при функционировании МКУ. Обоснован применяемый научно-методический аппарат, ядром которого является последовательный анализ Вальда. Показан вклад зарубежных (Вальд А., Пейдж Е., Хинкли Д. и др.) и отечественных Колмогоров А.Н., Ширяев А.Н., Сосулин Ю.Г., Мальцев А.А., Никифоров И.В. и др.) ученых в развитие методов обнаружения постепенных изменений свойств случайных процессов - «разладки». Для всех последовательных методов обнаружения «разладки» характерно определенное запаздывание, среднее время которого характеризует качество алгоритма. Сделан вывод о том, что существующие методы обнаружения «разладки» практически достигли своих потенциальных характеристик, причем эти характеристики являются неудовлетворительными с точки зрения эксплуатации МКУ.

В завершении главы осуществлена постановка общей научной и частных задач исследования. Сущность научной задачи, решаемой в диссертации, заключается в разработке метода ускоренного обнаружения начала постепенного изменения вероятностных характеристик фазовых координат МКУ, соответствующего алгоритмического обеспечения и структурной схемы ИИС.

Вторая глава посвящена разработке метода ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ и соответствующего алгоритмического обеспечения ИИС МКУ. Разработаны модели процессов в МКУ при обнаружении изменений фазовых координат. Для идентификации состояния МКУ с учетом возможных изменений вероятностных характеристик (в данном случае - математического ожидания) фазовых координат модель состояния представлена в виде:

(1)

где Y - вектор фазовых координат МКУ; U - вектор управлений; о - вектор случайных возмущений; А, В, F - известные матрицы; k - текущий момент времени; - смещения в векторе фазовых координат МКУ, вызванные воздействием одного или совокупности неблагоприятных факторов.

Модель измерений в ИИС представлена в виде

(2)

где Z - вектор выходных сигналов измерителей; С - матрица дискриминационных характеристик; м, г - характеристики состояния измерителей; N - вектор шумов измерений; ZП - смещения, вызванные аномалиями в измерениях; k, K - текущий и конечный моменты измерений. Выделение смещений и в виде отдельных компонент позволяет определить характерные особенности в изменении вектора фазовых координат МКУ, возникающие при наступлении постепенной разладки. Знание закона изменения фазовых координат позволяет не только повысить вероятность правильной идентификации постепенной разладки, но и выдвинуть предположение относительно характера дефекта.

В качестве дополнительного источника информации о начале постепенной разладки в диссертации были использованы так называемые индикаторы сопутствующих признаков. В качестве индикаторов сопутствующих признаков могут выступать как штатные измерители МКУ, так и специально разработанные устройства по типу манометров, термометров, показателей уровня жидкости, регистраторов напряжения в металлоконструкциях, электрических и магнитных приборов и пр. Очевидно, что регистрация признака должна предшествовать началу постепенного изменения фазовой координаты в такой степени, чтобы индикатор мог считаться безынерционным.

Независимо от типа индикатора его функционирование можно описать условной вероятностью перехода из rk в rk+1 состояние

(3)

где J - индикаторная функция, соответствующая j - й фазовой координате; Pr - регистрируемый признак, ; rk , rk+1 - выходные сигналы индикатора в k - й и (k+1) - й моменты соответственно, Детализация (3):

(4)

где P(Jk), P(Pr) - вероятности наличия индикаторной функции и регистрируемого признака соответственно; P(rk+1|rk), P(Sk+1|rk) - условные вероятности изменения выходного сигнала индикатора сопутствующего признака.

Сущность метода ускоренного обнаружения начала постепенного изменения характеристик фазовых координат МКУ заключается в следующем. При наблюдении последовательности Zk могут иметь место две ситуации: Q = 0 и Q = 1, причем событие {Q = 1} означает «разладку» последовательности, которая происходит в случайный момент времени k, 1 < k < ? с вероятностью Р ? 1 . «Разладка» заключается в постепенном изменении математического ожидания последовательности. Задана априорная вероятность наличия «разладки» Pk-1(Q =1) = P1,1 и условные плотности распределений вероятностей наблюдений p0(Zk) = p(Zk|Q =0), p1(Zk) = p(Zk|Q=1, =0) при отсутствии «разладки» и ее возникновении в момент 0 соответственно.

Отличительная особенность разрабатываемого метода заключается в том, что информация от индикатора сопутствующего признака используется для управления величиной порога, с которым сравнивается апостериорная вероятность «разладки», вычисляемая на основании выходного сигнала измерителя.

Оптимальное байесовское последовательное правило обнаружения «разладки» последовательности Zk, минимизирующее средний риск rk(uk) = =M[g(Q,uk,,k)], может быть найдено на основе минимизации апостериорного риска Rk(Zk,uk-1) = Rk(Zk) выбором j0,1:

(5)

где UЗ и UП - области решений, связанные с завершением и продолжением измерений соответственно.

Индикаторы сопутствующих признаков используются для изменения соотношение потерь от правильности принимаемых решений

(6)

где К - момент изменения выходного сигнала любого из индикаторов сопутствующих признаков. Потери от принятия решений изменяются таким образом, чтобы понизить порог сравнения для решающей статистики



(7)

С помощью формулы полного математического ожидания, а также функции потерь (6) и ее свойств (7) можно определить, что

(8)

где P1,k = P (Q=1|Zk) - апостериорная вероятность «разладки». Решение dk(Zk) = uk UЗ, при котором данная статистика принимает наименьшее значение, имеет вид

(9)

Оптимальное правило обнаружения постепенной «разладки» может быть представлено в виде

(10)

где значение порога cз в момент прекращения наблюдений определяется как

сз= g10(k) / [g10(k) + g01(k)]. (11)

Апостериорная вероятность P1,K «разладки» последовательности Zk на k-м шаге определяется на основании формулы Байеса

(12)

где .

Если индикатор сопутствующего признака безынерционный, то можно считать, что в момент К изменения сигнала на выходе индикатора «разладка» происходит с вероятностью P(Q =1)=1 и произвести усечение правила обнаружения. Апостериорную вероятность «разладки» необходимо сравнивать с новым значением порога

cЗk= g10(K) / [g10(K) + g01(K)], (13)

при этом правило обнаружения «разладки» будет иметь вид

(14)

Таким образом, ключевыми моментами разрабатываемого метода (2-14) являются: вычисление апостериорной вероятности «разладки» (12) на основе последовательно поступающих измерений; определение на основании функции потерь (6) порога (11), с которым сравнивается апостериорная вероятность «разладки» при отсутствии сигналов индикаторов сопутствующих признаков; усечение правила обнаружения по сигналу любого индикатора сопутствующего признака, использование при этом нового порога сравнения (13), вычисляемого на основании (7).

Модернизированный метод обнаружения постепенной «разладки» фазовых координат МКУ позволяет сократить задержку в обнаружении за счет использования дополнительной информации от индикатора сопутствующего признака. Величина задержки зависит как от назначаемых в соответствии с предполагаемой тяжестью потерь от неправильных решений, так и от статической характеристики индикатора. Необходимо отметить, что наличие сопутствующего признака в контролируемых данных не обязательно приводит к «разладке» фазовых координат и, наоборот, «разладка» может произойти и при не зарегистрированном признаке. Определенный выигрыш следует ожидать при использовании нескольких индикаторов, располагаемых в различных местах МКУ для обнаружения одного признака.

Для повышения эффективности функционирования МКУ в состав алгоритмического обеспечения ИИС целесообразно ввести алгоритм обнаружения «разладки». Источниками информации при этом являются выходные сигналы измерителей контролируемых параметров и индикаторов сопутствующих признаков, входящих в состав ИИС. Алгоритм обнаружения «разладки» в МКУ показан на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Алгоритм обнаружения постепенной «разладки» в МКУ

На рис. 2 показана разработанная схема ИИС МКУ, в состав источников информации которой дополнительно введены индикаторы сопутствующих признаков. В состав алгоритмического обеспечения информационно-вычислительного комплекса (ИВК) ИИС дополнительно введен разработанный алгоритм обнаружения постепенной «разладки» фазовых координат МКУ.

Рис.2. Схема разработанной ИИС МКУ

При реализации алгоритма обнаружения «разладки» в МКУ измерители ИИС должны быть исправны. В диссертации разработан алгоритм контроля технического состояния ИИС МКУ. На рис. 3 показан граф возможных переходов между состояниями ИИС.

Рис.3. Граф возможных переходов между состояниями ИИС

Первое - полностью исправное состояние ИИС: выходной сигнал измерителя находится в диапазоне допустимых значений измеряемой фазовой координаты; отношение сигнал/шум 10. Во втором состоянии: выходной сигнал измерителя находится в диапазоне допустимых значений измеряемой фазовой координаты; отношение сигнал/шум 2. В третьем состоянии: выходной сигнал измерителя находится вне диапазона допустимых значений измеряемой фазовой координаты; отношение сигнал/шум 10. В четвертом присутствует только шум измерителя. Алгоритм расчета вероятности n-го состояния ИИС МКУ имеет вид:

(15)

где Р (n) - прогнозируемое на один шаг счета значение вероятности n-го состояния ИИС, вычисляемое на основании апостериорной вероятности n-го состояния на предыдущем (k-1)-м шаге и априорной информации о (ln) - интенсивностях переходов между состояниями; Y(n)i - тестовое значение i-го контролируемого параметра в n-м состоянии системы; уi - дисперсия шума i-го измерителя; t=tk-tk-1. Вывод о текущем состоянии системы делается по критерию максимума апостериорной вероятности

, , (16)

Очевидно, что применение метода обнаружения «разладки» в разработанном варианте правомерно при =1.

При функционировании МКУ осуществляется накапливание информации об интенсивностях переходов между состояниями ИИС, а также о характерных для каждой МКУ особенностях смещений в векторе фазовых координат МКУ (1) и в измерениях (2), вызванных аномалиями.

Определение законов распределений и осуществляется по известным процедурам и отображается в модуле имитационного моделирования функционирования МКУ. Схема информационно-вычислительного комплекса (ИВК) в составе ИИС МКУ показана на рис. 4.

Рис.4. Схема ИВК в составе ИИС МКУ

В третьей главе представлены результаты исследования эффективности ИИС с разработанным алгоритмическим обеспечением. Исследование заключалось в: а) определении технического состояния ИИС; б) определении способности ИИС к обнаружению критических режимов функционирования МКУ.

При исследовании были использованы: исходные данные, полученные при эксплуатации МКУ, расположенных в Тамбовской области; известные теоретические положения последовательного анализа. Исследования проводились методом математического моделирования.

Основной характеристикой алгоритма последовательного анализа является среднее число шагов до вынесения окончательного решения о наличии или отсутствии изменения свойств измерений типа (2). При наличии «разладки» средняя длительность последовательного анализа меньше, чем при ее отсутствии. Для сокращения длительности введена процедура усечения с принятием решения по превышению фиксированного порога c3 . При этом вероятность Pош у принятия ошибочных решений будет

, (17)

где - вероятность принятия ошибочного решения при анализе до усечения; k3 - момент усечения; Pош(с3) - вероятность принятия ошибочного решения при сравнении решающей статистики с порогом.

Задачами моделирования являются: определение длительности (количества измерений) серии измерений контролируемых параметров в штатном режиме функционирования МКУ с целью обнаружения возможной «разладки» фазовых координат; исследование алгоритма контроля технического состояния ИИС; определение длительности задержки в вынесении решения о «разладке» после момента ее фактического начала.

Определение длительности серии измерений осуществлялось путем анализа известных графиков (рис. 5) совместно с зависимостью (17). Это позволило в первом приближении определить k, удовлетворительное для МКУ с эксплуатационной точки зрения. Так, для МКУ, удаленных от места расположения обслуживающего персонала не более 10 км, для обеспечения вероятности правильного обнаружения «разладки» P0=0.9 при уровне ложного обнаружения РЛО=10-3 рекомендуемая длительность серии измерений k=12 при интервале между измерениями Дtи=120 с. При тех же параметрах для МКУ, удаленных от 10км до 50км, длительность серии измерений k=26, а для МКУ, удаленных от 50км до 100км - k=40.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Зависимость средней длительности последовательного анализа от вероятности правильного обнаружения P0 для различных значений вероятности ложного обнаружения РЛО

Исследование алгоритма контроля технического состояния ИИС проводилось путем моделирования случайных переходов между четырьмя состояниями в соответствии с графом на рис. 3. Моделировался алгоритм (15), (16). Оценивалась задержка в принятии решения о смене состояния в зависимости от: интенсивности шума измерителя; интенсивностей отказов.

Длительность задержки принятия решения о смене состояний в зависимости от интенсивности шума измерителя показана на рисунке 6. Априорная интенсивность переходов ИИС в состояния с большим номером совпадала с фактической интенсивностью, определяемой по результатам эксплуатации МКУ и задаваемой ключом смены состояний: (ln) = ф(ln), где ф(ln) - фактическая интенсивность смены состояний ИИС. Изменение интенсивности шума измерителя моделировалось как изменение отношения сигнал/шум в диапазоне 2 Z / 10.



Рис. 6. Длительность задержки принятия решения о смене ситуации состояния ИИС в зависимости от интенсивности шума измерителя

Длительность задержки принятия решения о смене ситуации в зависимости от априорной информации об интенсивностях отказов показана на рисунке 7. Отношение сигнал/шум Z / = 10.

В процессе исследования было рассмотрено два случая. В первом случае априорно оцениваемые интенсивности переходов (ln) , входящие в (15), соответствовали фактическим ф(ln). Время, затрачиваемое алгоритмом на принятие правильного решения было 0.1 с. При описанных выше условиях алгоритм (15) по своим динамическим характеристикам близок к ключевой схеме, что полностью подтверждает его работоспособность.

Во втором случае использовалась ложная априорная информация о переходах из l-й в 4-ю ситуацию. На рис. 7 показана зависимость для всех состояний (помечены цифрами) от d4, где d4 = (l4) / ф(l4) - отношение априорно оцениваемой интенсивности перехода в 4-ю ситуацию (l4) к фактической интенсивности ф(l4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Длительность задержки принятия решения о смене состояния ИИС в зависимости от априорной информации об интенсивностях отказов

Таким образом, даже при относительно небольших отношениях сигнал/шум Z / = 2 - 4 и некотором несоответствии (не более чем на порядок) априорных и фактических интенсивностей отказов измерителей ИИС МКУ алгоритм (15) позволяет в реальном для МКУ времени оценить пригодность ИИС для обнаружения постепенных «разладок» фазовых координат.

Определение длительности задержки Дф в вынесении решения о «разладке» после момента ее фактического начала осуществлялось путем исследования алгоритма обнаружения постепенной «разладки» в МКУ (рис.1). Величина Дф зависит как от степени нарастания (крутизны) апостериорной вероятности P1,K «разладки» последовательности Zk, так и от значений уровней порогов «с» и «сз» существующей и разработанной процедур обнаружения «разладки» (рис.8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8. Обобщенная зависимость апостериорной вероятности «разладки» от времени в пределах одной серии измерений

Исследования показали, что для длительных k = 40 серий измерений Дф=600-1800 с, для коротких k=10 серий Дф=120-180 с.

Полученные результаты показывают, что применение разработанного метода сокращает задержку в обнаружения «разладки» в некоторых случаях до 40 % по сравнению с существующими процедурами последовательного анализа и существенно превосходит по данному показателю применяемый в настоящее время в МКУ допусковый контроль.

В заключении приведены основные выводы по работе, результаты решения научной задачи и достижение основной цели работы.

В приложениях размещены: акты внедрения; скриншоты с диспетчерского экрана системы мониторинга состояний МКУ; листинги компьютерных программ математического моделирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ показал, что причинами остановок, инцидентов, аварий при функционировании МКУ могут быть как внешние факторы, так и нарушения внутреннего технического состояния элементов МКУ. Предпосылками к возникновению инцидентов и аварий в МКУ являются внезапные и постепенные отказы оборудования МКУ, сбои и отказы ИИС МКУ, аномальные измерения.

2. Скачкообразные изменения контролируемых параметров являются быстро обнаруживаемыми. Существенным резервом повышения надежности МКУ является своевременное обнаружение постепенных негативных изменений контролируемых параметров, когда они находятся в пределах допустимого диапазона.

3. Наиболее развитым научно-методическим аппаратом применительно к обнаружению аномальных измерений («разладки») является теория последовательных решений. Для всех последовательных методов обнаружения «разладки» характерно определенное запаздывание, среднее время которого характеризует качество алгоритма обнаружения. Существующие методы не обеспечивают требуемых при эксплуатации МКУ значений задержек при обнаружении «разладок».

4. В настоящее время остается не решенной задача своевременного обнаружения потенциально опасных постепенных изменений контролируемых параметров при нахождении хотя бы одной фазовой координаты МКУ в критической зоне.

5. Для сокращения времени, затрачиваемого на обнаружение «разладки» фазовых координат МКУ целесообразно использовать дополнительную информацию от индикаторов сопутствующих «разладке» признаков.

6. Разработаны метод и реализующий его алгоритм обнаружения постепенной «разладки» фазовых координат МКУ, которые позволяют сократить задержку в обнаружении за счет использования дополнительной информации от индикатора сопутствующего признака. Использование информации от индикатора приводит к сокращению задержки в определении «разладки» из-за снижения уровня порога.

7. В существующую структурную схему ИИС МКУ для реализации метода ускоренного обнаружения «разладки» необходимо дополнительно ввести индикаторы сопутствующих признаков, а ИВК дополнить алгоритмами обнаружения «разладки» и контроля состояния ИИС.

8. Результаты моделирования подтвердили реализуемость и эффективность разработанных алгоритмов. Сокращение длительности задержки в обнаружении «разладки» в фазовых координатах МКУ в некоторых случаях достигает 40 % по сравнению с существующими процедурами последовательного анализа, что существенно снижает затраты при эксплуатации МКУ.

В результате выполнения диссертационной работы решена задача повышения эффективности ИИС МКУ за счет уменьшения задержки в обнаружении начала негативного постепенного изменения фазовых координат МКУ путем разработки метода и реализующего его алгоритма последовательного анализа временных рядов с использованием дополнительной информации от индикатора сопутствующего признака.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Коток, Ю.И. Способы автоматического слежения за одним параметром объекта управления / Антенны. Научно-технический и теоретический журнал. - М.: Радиотехника, 2010, №.11. - С.50-52.

2. Коток, Ю.И. Способы автоматического слежения за несколькими параметрами объекта управления / Антенны. Научно-технический и теоретический журнал. - М.: Радиотехника, 2010, №.11. - С.53-56.

3. Павлов, В.И. Модели процессов в информационно-измерительной системе модульной котельной установки / В.И.Павлов, Ю.И. Коток // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2011. Спецвыпуск. - С.58-62.

Статьи и материалы конференций

1. Коток, Ю.И. Управление автоматизированными модульными котельными / Ю.А. Коток // Информационные системы и процессы: Сб. науч. трудов / Под ред. проф. В.М. Тютюнника. - Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Изд-во «Нобелистика», 2007. - Вып. 6. - С. 54-56.

2. Муромцев, Д.Ю. Программные модули экспертной системы синтеза энергосберегающего управления для промышленных контроллеров /Д.Ю.Муромцев, В.А.Погонин, Ю.И.Коток // Промышленные контроллеры 2008: от А до Я: Тезисы докладов IV Международной конференции-выставки. - М., 2008 г. - С.32-33.

3. Муромцев, Д.Ю. Особенности применения когнитивной графики в микропроцессорных системах энергосберегающего управления /Д.Ю.Муромцев, Н.Г. Чернышов, Ю.И. Коток, В.В.Аксенов // 3-я Международная научно - практическая конференция «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернадского», 25-26 сентября 2008 г. -Тамбов: Изд-во: ТАМБОВПРИНТ, 2008 г. - С.415-416.

4. Коток, Ю.И. Модели процессов в информационно-измерительной системе модульной котельной установки // Тез. Докладов Всероссийской научной школы 7-8 июля 2011 г.-Тамбов: Изд-во: Першина Р.В. - С. 203-205.

5. Коток, Ю.И. Модель состояния модульной котельной установки // Тез. Докладов Всероссийской научной школы 7-8 июля 2011 г. - Тамбов: Изд-во: Першина Р.В. - С. 201-203.

6. Коток, Ю.И. Информационно-измерительная система модульной котельной установки // Тез. Докладов Всероссийской научной школы 7-8 июля 2011 г. - Тамбов: Изд-во: Першина Р.В. - С. 199-201.

7. Коток, Ю.И. Обнаружение скачков фазовых координат объектов по информации от измерителя и индикатора // Передача, прием, обработка и отображение информации о быстропротекающих процессах: сборник статей 23-й Всероссийской НТК школы-семинара. Сочи, 2012 г. - С. 256-259.

Размещено на Allbest.ru