автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Многокритериальная оптимизация контролепригодности объектов диагностирования

/: - / / / / ■/ е>"7 , у

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

УДК 681.004 На правах рукописи

Тимофеева Ольга Павловна

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ ОБЪЕКТОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Спсциальмр^сь ,054 3.01. Управление в технических системах

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации Сагунов В.И.

Н. Новгород 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................... 4

1. Обзор существующих методов синтеза контролепригодных объектов непрерывного типа...........................................11

2. Классы эквивалентности на множестве дефектов и их разрешение..................................................................36

2.1. Выделение маршрутов по графу..................................39

2.2. Определение классов эквивалентности на множестве дефектов.............................................................. 47

2.3. Получение минимального мно^се^хва дачек контроля для определения однократного' дефекта.-- ....................... 50

2.4. Определение вероятностного коэффициента глубины диагностирования.................................................. 61

2.5. Выводы............................................................... 65

3. Синтез контролепригодных объектов............................... 67

3.1. Однокритериальная задача синтеза контролепригодных объектов.............................................................. 68

3.2. Многокритериальная задача синтеза контролепригодных объектов..............................................................76

3.3. Использование качественной информации о предпочтении при решении многокритериальной задачи синтеза контролепригодных объектов................................... 86

3.4. Примеры синтеза контролепригодных объектов............ 99

3.5. Выводы..............................................................110

4. Практическая реализация результатов работы................... 112

4.1. Обеспечение контролепригодности технической системы (на примере автопилота самолета)............................ 112

4.2. Обеспечение контролепригодности алгоритмической

структуры (на примере программного комплекса)........121

4.3. Структура пакета прикладных программ и принцип работы с ним.....................................................132

4.4. Выводы........................ ....................................138

5. Заключение.............................................................140

6. Список литературы..................... ..............................142

Приложение 1......................................................... 160

Приложение 2......................................................... 168

Приложение 3......................................................... 182

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Непрерывное совершенствование систем, будь то техническая система или алгоритмическая структура, выдвигает на первый план проблему их надежности, которая приводит к необходимости решения таких важных задач, как автоматизация проверки правильности функционирования и поиска неисправностей.

Однако данные вопросы не могут быть решены должным образом без соответствующей приспособленности этих систем к техническому диагностированию. Свойство, характеризующее приспособленность объекта к техническому диагностированию, позволяющее с минимальными затратами достоверно определить техническое состояние объекта, называется контролепригодностью.

Изделия, для которых решен вопрос контролепригодности, имеют более выгодные показатели надежности такие как коэффициент готовности, время восстановления, что позволяет быстрее локализовать возникший в объекте дефект, а значит, быстрее вернуть объект в работоспособное состояние. Кроме того, выгода от улучшения контролепригодности системы может быть значительна не только в увеличении указанных показателей надежности, но и в уменьшении затрат на ремонт ее.

Следует отметить, что вопросы обеспечения контролепригодности систем на этапе их проектирования исследованы не достаточно полно, особенно в вопросах оптимизации контролепригодности по нескольким критериям оптимальности. Таким образом, разработка соответствующих методов и алгоритмов обеспечения контролепригодности систем и использование программных средств в виде пакета прикладных программ должны существенно облегчить процесс приведения объектов к контролепригодному виду.

В связи с этим проблема обеспечения контролепригодности систем является весьма актуальной. Рассматриваемые в диссертационной работе методы и алгоритмы обеспечения контролепригодности систем с одиночными дефектами являются частью общей проблемы ремонтопригодности.

Диссертационная работа выполнялась по межвузовской научно-технической программе "Диагностические и информационно-поисковые системы".

Цель работы. Целью работы является разработка методов и алгоритмов оптимизации контролепригодности по одному и нескольким критериям оптимальности для систем с одиночными дефектами на базе анализа их структур, разработка практических рекомендаций по использованию полученных результатов на этапах проектирования, производства и эксплуатации этих систем.

Методы исследования. В дисертационной работе для теоретических исследований применялись методы теории графов, теории множеств и исследования операций.

Объекты исследования. В практическом плане объектами исследования являются технические системы, относящиеся к классу объектов непрерывного и дискретного действия, а также алгоритмические структуры.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том,

что:

1. Введен вероятностный коэффициент глубины диагностирования для объектов с одиночными дефектами. Решены задачи оптимизации коэффициента глубины диагностирования с учетом поиска одиночных дефектов.

2. Разработан эффективный алгоритм построения матрицы маршрутов исследуемого объекта по матрице смежности его граф-модели.

3. Разработаны однокритериальные алгоритмы синтеза контролепригодных объектов, использующие метод динамического программирования.

4. Разработаны многокритериальные алгоритмы синтеза контролепригодных объектов методом динамического программирования.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации методы обеспечения контролепригодности предназначены для технических систем и алгоритмических структур. Практическая ценность работы заключается в том, что с помощью разработанных методов возможно целенаправленно осуществлять обеспечение

контролепригодности объектов на стадии проектирования, что существенно упрощает процедуру диагностирования этих объектов на этапах производства и эксплуатации. На базе предложенных методов и алгоритмов обеспечения контролепригодности разработан пакет прикладных программ для решения рассматриваемых в диссертационной работе задач. Применение его для объектов на стадии проектирования позволит привести обекты к контролепригодному виду.

Реализация результатов работы. Разработанные математические модели, методы и алгоритмы обеспечения контролепригодности реализованы в СКБ информационных и промышленных технологий г. Нижнего Новгорода, в учебном процессе Нижегородского Государственного Технического Университета в виде фрагмента лекций по курсу "Надежность функционирования автоматизированных систем" для специальности "Автоматизированные системы обработки информации и управления".

Аппробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Информатики и систем управления" Нижегородского государственного

технического университета (1997-1999гг.), на ежегодных научных конференциях факультета информационных систем и технологий Нижегородского государственного технического университета (19981999гг.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 184 печатных страницах, включает 8 рисунков, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 169 наименований и приложений на 24 страницах.

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы основные задачи исследования и положения, выносимые на защиту, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе приведен обзор существующих методов синтеза контролепригодных систем непрерывного типа, рассмотрены основные результаты полученные в этой области за последнее время. На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены алгоритм выделения маршрутов по матрице смежности граф-модели объекта диагностирования, алгоритм назначения минимального числа точек контроля для обеспечения одноразличимости исследуемого объекта. Введен вероятностный коэффициент глубины диагностирования для объектов с однократными дефектами.

В третьей главе рассматриваются алгоритмы синтеза контролепригодных объектов методом динамического программирования при однокритериальной и многокритериальной оптимизации. Рассматриваются методы назначения весовых коэффициентов важности

отдельных критериев оптимальности при использовании различных видов качественной информации о предпочтениях этих критериев.

В четвертой главе представлена практическая реализация теоретических положений и методов, разработанных в диссертационной работе.

В заключении формулируются основные результаты работы.

В приложении 1 приводятся: блок-схема алгоритма определения минимального числа точек контроля для распознавания одиночных дефектов; блок-схема алгоритма, максимизации коэффициента глубины диагностирования однократных дефектов при ограничении стоимости реализации точек контроля; блок-схема алгоритма максимизации коэффициента глубины диагностирования и минимизации затрат на заданном числе точек контроля; блок-схема алгоритма вычисления весовых коэффициентов.

В приложении 2 приводится текст программного модуля ор1:_тпк.с, обеспечивающего решение многокритериальных задач синтеза контролепригодных объектов.

В приложении 3 приводятся акты внедрения результатов работы.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Алгоритм построения матрицы маршрутов на основе граф-модели исследуемого объекта.

2. Алгоритм нахождения минимального числа точек контроля, обеспечивающих одноразличимость объекта диагностирования.

3. Вероятностный коэффициент глубины диагностирования для объектов с одиночными дефектами, его использование при синтезе контролепригодных объектов.

4. Следующие алгоритмы решения задач синтеза контролепригодных объектов по одному критерию оптимальности:

алгоритм максимизации коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта при ограничении стоимости реализации точек контроля;

алгоритм максимизации коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта на заданном числе точек контроля;

алгоритм минимизации затрат на реализацию точек контроля для обеспечения заданного значения коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта;

алгоритм минимизации числа точек контроля на заданном значении коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта;

5. Следующие алгоритмы решения задач синтеза контролепригодных объектов по нескольким критериям оптимальности:

алгоритм максимизации коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта и минимизации затрат на реализацию заданного числа точек контроля; алгоритм максимизации коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта и минимизации числа точек контроля при ограничении стоимости их реализации; алгоритм минимизации числа точек контроля и стоимости их реализации на заданном значении коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта;

алгоритм максимизации коэффициента глубины диагностирования однократного дефекта, минимизации числа точек контроля и стоимости их реализации при ограничении веса их реализации;

6. Пакет прикладных программ для реализации предложенных алгоритмов обеспечения контролепригодности, реализованный на языке С.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА КОНТРОЛЕПРИГОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НЕПРЕРЫВНОГО ТИПА

Технические средства, применяемые в современных автоматизированных системах управления, настолько сложны, что возникает проблема надежности этих средств. Наряду с упрощением структурных схем отдельных устройств и систем в целом, применением высоконадежных элементов и структурной избыточности, снижением нагрузки элементов и стабилизации условий эксплуатации аппаратуры мощным средством поддержания необходимого уровня надежности при эксплуатации является своевременное восстановление отказавших устройств, что неразрывно связано с определением их технического состояния. Вопросами определения технического состояния объектов занимается техническая диагностика.

Эффективность решения задач диагностирования того или иного технического объекта зависит от того, обладает ли данный объект свойством контролепригодности. Под контролепригодностью понимается такое свойство объекта, которое характеризует его приспособленность к контролю и техническому диагностированию [1], что означает минимизацию всех затрат и издержек, связанных с организацией контроля и технического диагностирования, и в конечном итоге приводит к повышению показатлей, характеризующих эксплуатационные характеристики. Приведение объекта к контролепригодному виду может быть выполнено двумя путями. Первый путь - это совершенствование конструкции проектируемого изделия, обеспечивающее более легкий доступ, унификацию параметров, подлежащих контролю, унификацию измерительных приборов, автоматизацию процедур контроля и т.д. Второй путь заключается в направленном преобразовании структуры проектируемого изделия без изменения его функциональных свойств. Под

направленным изменением структуры будем понимать процедуру выбора совокупности параметров (точек контроля), информация которых позволяет идентифицировать любое из 2К технических состояний изделия произвольной кратности, где N - число элементов в системе. Первый путь наиболее освоен в промышленности, но в связи с очень сильной зависимостью от функциональных особенностей проектируемого изделия не может иметь обобщенной формализованной модели и требует значительных затрат при реализации. Второй путь является более новым, менее разработанным и более эффективным, так как не требует значительных затрат на реализацию.

Свойство контролепригодности объекта диагностирования формируется на стадии его проектирования, где устанавливаются взаимосвязи и параметры объекта, выявляются сущность, многообразие и характер этих связей и объект диагностирования представляется через полученные взаимосвязи, т.е. по существу происходит построение модели диагностируемого объекта. Диагностическая модель- это совокупность методов построения математической модели, определяющей методику формирования способов и алгоритмов определения технического состояния диагностируемого объекта.

В связи с функциональным разнообразием технических систем, для которых необходим контроль и диагностирование, в связи с их конструктивной сложностью и сложностью решаемых ими задач разнообразны и методы построения диагностических моделей этих систем.

Все множество технических систем с учетом специфики их функционирования может быть поделено на два класса: непрерывные и дискретные объекты. В связи с этим методы обеспечения контроля и диагностирования могут быть также поделены на два класса. Первый -методы, обеспечивающие контроль и техническое диагностирование

систем непрерывного действия, и второй - методы, обеспечивающие контроль и диагностирование объектов дискретного действия.

Остановимся на основных результатах, полученных в области разработки моделей диагностирования объектов непрерывного действия в работах отечественных и зарубежных ученых.

По методам представления взаимосвязей между состоянием объекта, его элементами и параметрами выходных сигналов методы построения моделей можно разделить ' на аналитические, графоаналитические (топологические), информационные и логические.

Если непрерывные объекты при решении задач диагностирования можно представить адекватным формульным описанием объекта в виде совокупности функциональных соотношений, дифференциальных или передаточных функций [4-31], то используем аналитические модели технической диагностики. Аналитические модели широко используются для описания объектов электрического, электромеханического и пневмогидравлического типа. При этом неисправности объекта моделируются как недопустимые изменения значений параметров диагностирования.

В работе [5] система автоматического управления описывается системой дифференциальных уравнений, при этом в качестве