автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Прогнозирование технического состояния радиоэлектронного оборудования воздушных судов гражданской авиации

М'В од .

0 П И\А ао10ЙЕЗВСКИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 « "АН. ~ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

... ^Г-^'А- г <----

РОЖНИКОВ АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОС ГОЖИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Спси'^ихыгость: 05.22. М - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертант па соискягате ппучпой сгепегя кандидата тоишческих 1ш>-к

Киса 1997

Диссертация хплясгся рукописью

Работа выполнена о Киевском международном университете гражданской еввашш на кафедре эксплуатации и ремонта бортового радиоэлектронного оборудошитя

Научный руководитель: заслуженный деятель науки в техники Украины.

лауреат Государственной премии Украины в области науки .и техники, доктор технических наук, . профессор Игнатов Владимир Алексеевич Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кононоп Стефан Петрович, кандидат технических наук Сарыч ев Александр Андреевич

Ведущая организация: научно-исследовательский институт «Буран», г.Киео

Защита состоится ** **_ 1997 г. в_часов на мседшшп

специализированного Ученого совета ДО1.35.04 Киевского международного унииер'-чтеггйтражданской авиации по адресу. 252058, Киев-58, пр.Космонавта Комарова, 1, КМУГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского международного университета гражданской авиации

Автореферат разослан " _199? г.

Ученый секретарь

спсциатгшропашюго Ученого совете, . /

дс:сгор технических наук; , И С Кулик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ . Актуальность темы. В последнее время замелю усилился интерес к пропю-зиропашт состояния а надежности технических систем. Это вполне закономерно, так как неизмеримо возросли масштабы производства, сложность технических систем^ ответственность выполняемых ими функций и, как следствие, требования к их надежности. Применение эффективных методик прогноза технического состояния (ТС) бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) воздушных судов (ВС) граздзнской авиации позволит повысить уровень безопасности выполнения полетов, оптимизировать*, процессы технического обслуживший (ТО) авиационной техники, снизить затраты на текущий ремонт и восстановление исправности ВС-

Прогнозирование ТС изделия БРЭО. выполняется на основе экстраполяции измеренных значений одного или нескольких прогнозирующих параметров (ПП) и последующем анализе аппроксимацнонных графиков ГШ. Традиционными экстраполяционнымн методами (ЭМ) нропгознровашиг ТС БРЭО являются метод наименьших квадратов (МНК), метод экспоненциального сглажи-пашя (МЭС). В последнее время большое распространение для целей идентификации процессов в радиоэлектронных системах получил метод сплайн-фут;-цни (МСФ). Существенным недостатком перечисленных методов является еех низкая*эффективность при воздействии шггенсивпых помех в тракте тпере-ния ПП. Поэтому актуальной является задача создания помехоустойчивых ЭМ пропюзирования ТС БРЭО.

Целью диссертационной работт.г является разработка метода прогнозирования технического состоят бортового радиоэлектронного оборудовала воздушных сз'дов гражданской авиации ira основе квпотовалтк и марковской аппроксимации, алгоритмов и программ с использованием предложенного метода.

Для достижения заданной цели были решены следующие зада'щ: - выполнен аналитический обзор современных методов пропюзпровыпя ТС-БРЭО;

- разработан метод экстраполяции вероятностных характеристик ПП на основе квшгтовшшя и марковской аппроксимации для трех и четырех точек наблюдения (измерения) ПП, сформировали алгоритмы расчета вероятностных характеристик ПП с помощыо МКМА для трех и четырех точек наблюдения ПП;

- проведен экспериментальный сравнительный анализ эффекпшностн традиционных методов прогнозирования ТС БРЭО и МКМА;

- разработан программный пакет имитационного моделирования с использованием алгоритмов МКМА;

- разработаны рекомендации по программно-аппаратной реализации алгоритмов МКМА

Методы исследоылшц. Д).н решения поставленных задач использовались методы теории вероятностей, теории случайных процессов, теории цепей Маркова, статистического и математического моделирования, экстралоляционные методы, метод экспертных оценок, а также дифференциальные уравнения Колмогорова-Чепмена.

Научпая новизна работы состоит в том, что:

1) разработан новый метод расчета вероятностных характеристик ПП устройств БРЭО на основе квантовштя и марковской аппроксимации;

2) прсдлолссны алгоритмы расчета экстралоляционных значений вероятностных характеристик ПП на основе МКМА для трех и четырех точек наблюдения ПП;

3) проведен экспериментальный сравнительный анализ эффективности экст-рапо.и.пиопаьк методов.

На защиту выносится:

-метод экстраполяции вероятностных характеристик Г1П на основе квалтова-¡г,1я и марковской аппроксимации;

- алгоритмы расчета экстралоляцнонных значений ПП для трех и четырех точек наблюдения;

- резу 1ьтаты сравнительного анализа методов экстраполяции;

- рекомендации по выбору програмкгно^аппаратлых средств реализации алгоритмов МКМЛ в целях прогнозирования ТС устройств БРЭО.

Практическая пеппосп».

1. Разработаны рекомендации по применению МКМЛ для целей прогнозирования ТС КРЭО.

2. Разработаны методические рекомендации по применению МКМА в курсовом и дипломном проектировании для студентов факультета авиационного радиоэлектронного оборудования Киевского международного университета гражданской апиашш.

3. Разработаны рекомендации по выбору программно-аппаратного обеспечения алгоритмов МКМА.

Лиробация работы. Результаты работы обсуждались на:

- II Международной конференции "Безопасность полетов в современных условиях" (г.Киеа, КМУГЛ, 1997г.);

- III Международной конференция по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию (г. Одесса, 1997г.);

- расширенном семинаре кафедры эксплуатации и ремонта бортового радиоэлектронного оборудования (г.Кисв, КМУГА, 1997г.);

Публикации. Основные материалы по теме диссертации опубликованы п 11 научных работах.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введете, nczupex разделов, заключения, списка сокращений, списка литературы, перечня обозначений и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, в том числе 114 страшщ текста, 41 рисунок, 2 таблицы, 65 назвошп! использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определим цель диссертационной работы и основные задачи исследования, перечислены эле-' меты теоретического аппарата МКМЛ, показаны практическая ценность и

научная новизна метода, изложены основные моменты диссертационной работы, вынесенные на защиту, указаны место внедрения и апробации работы, приведена структура диссертации и ее объем.

В первом разделе рассмотрены предпосылки создания систем протезирующего хонтроля ТС БРЗО, определено понятие метода прогнозировшшя технического состояния (МПТС) БРЭО, проведен аналитический обзор существующих методов прогнозировали» ТС БРЭО, сфоршфована математическая модель изменения ПП изделий БРЭО.

Основными предпосылками создали» систем пропюзирующего контроля являются сгелующпс. . "

1) Стоимость ус гранения выявленного потенциального отказа, как правило, значительно ниже стоимости устранения последствий этого отказа

2) Значэтельная часть отказов, - до 60-70%, - является предсказуемой.

. 3) Применение прогнозирования ТС позволяет повысить регулярность полетов.

4) Прогнозирование ТС БРЭО позволяет существенно повысить уровень безопасности полетов.

5) Развитие микропроцессор;!!.!?: Бы'шсшгтеяышх средств открыло новые возможности для накоплеши н обработки полетной информации.

6) В самолетах 3-го поколения бортовые радиоэлектронные средства объединены в комплекс, имеющий единую систему контроля ТС БРЭО с высокопроизводительными БЦВМ.

Исхода из понятия МПТС БРЭО кратко рассмотрены основные доспишст-ваи недостатки традшдноишк методов экстраполяции точек наблюдения:.метода наименьших квадратов н метода эксионевдиального сглаашванкя.

Определены общие тенденции с построении математической модели прогнозирующего парапет ранздел.м БЮО.

1. Изишегп:з ПП является случайным процессом.

2. Случайный процессу*© изменения ПП описываете;; ныралсегыем:

У*(»)-у(1) + «0+хЮ. (1)

4

где у(() • случайная функция необрзтнмого тиснения параметра во врске;ш (нестационарный случайный процесс), £¡(1) - случайная функция помехи (стационарный случайный процесс (ССП)), х(1)-составляющая, вызванная наличием погрешностей измерительного средства (ССП)

3 Случайный процесс у(0 необратимого изменения ПП описывается выражением:

ш

У, (0 - I в* о (0 . 1"=0,п. где (2)

.¡»О

а^ - случайные величины:

{г, (0Гн> - непрерывные детерминированные функции времени. 4. Величины а, являются гауссовыми случайными величинами.

5 Оценки случайного процесса изменения ПП у'(0 являются несмещенными

6 Изменение ПП рассматривается как переход системы из состояние в сост ояние, то есть случайный процесс изменения ПП является марковским.

7 Наблюдение производится по одной реализации ПП.

Во в юром разделе изложен МКМА, - для трех и для четырех точек наблюдения. - для случая, ко! да отсу1Стпуют помехоподобнцс сигналы и погрешио-сш измерительных средств. Определены алгоритмы алпрохеимащюнкого расчета вероятнсстгых характеристик Ш' с помощью МКМА.

Пусть необратимые изменения у(1) выражены посредством норхшрозшшой степенной функции

7.(0) - ао*а, (-У, где (3)

ао, 31 - гауссовы случайные величины. ао< [0. 1], а!е[-1,1], 9 - нормированное время, 0е(О;1). V - гауссова случайная величина, уе [- ■*>,+ «)

Введем поришрованный квадрат наблюдения и окстраполягош (рис.1). Здесь г,, -порога квантования, при пересечении которых реализацией у(Ч) фиксирую)ся моменты времени 0,,. В этом случае изменение ПП можно

представить марховский переход системы из состояние в состояние (рис.2).

Вероятности нахождения ПП в шггервалах Д2; для трех точек наблюдения можно определить путем нахождения общего решения дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, составляемых согласно графа состотшй рнс.2:

-ы-уиР,(&) ; (4)

ё©

Квадрат наблюдения и экстраполяции

Бо Б) Б,

vii vii ун v,! уи

-О ---------------'й >е-¡-С »<5

Рис.2

Граф сосголшй прогнозируемого параметра 6

dPj (0)

d©

■Vj, P, (©) + v„ P, (0) ,

(5)

где уп, у21 - шггенсивноста переходов ПП из состояния в состояние.

Последовательно решая дифференциальные уравнения (2.14), (2.15), получим:

-V,! 0

Pj (0)1

Р.(в) = е

vn -vji 0 -vji 0

[(-Vu ) с + v5, e ].

(6) (7)

Vu - v2,

Вероятность p3(0) равна: p3 (0) « 1 - pi (0) - p2 (0). Математическое ожидание ПП (для трех точек наблюдения) представил следующим образом:

3

m[zp (0)] = г\ р,(0)+г\ р2(0) + г\ р3(©)= i z¡ р,<©), (8)

hl

где Z*i, Z 2, Z э -так называемые оптимальные квантованные значепия (OI-3). Дисперсия ПП (для 3 и 4 точек наблюдения) описывается соответственно

выражением:

dZP(©) dZp(0) dZp(0)

D[Zp(0)] = dao D(ao) + da-! D(a,) + dy

2

D(y).

(9)

ОКЗ можно определить, по меньшей мере, двумя способами: методом ив-ментов и методом наименьших квадратов.

Для четырех точек наблюдения определяется вероятность р}(0) путем нахождения обшего решения дифференциального уравнения <1рз(0)

-- - v» -р, (0) + v,, рг (0) , (10)

а©

а вероятность нахождения з интервале экстраполирования равна:

Р.(©)-1.-Р|(в).Р,(в)-Р,(0) (II)

Математическое ожидание ПГ1 (для четырех точек наблюдения) и

4

М[7,(0)]- ZZi Р,{0). (12)

¡-1

В третьем разделе проводэтся сравнительный экспериментальный анализ погрешностей экстраполирования вероятностных характеристик ПП с помощью МКМА, традиционных МНК, МЭС, а также МСФ,- при отсутствии и наличии помех, погрешностей измерительных средств и для четырех точек измерения ПП.

Предложена методика проведения сравнительного анализа последовательно для случаев 1) помехи о канале измерения ПП отсутствуют, средство измерения не имеет инструментальных погрешностей; 2) помехи в канале измерения присутствуют, средство измерения не имеет инструментальных ю1решпостей, 3) помехи в канале измерения присутствуют, средство измерения имеет инструментальные погрешности.

Из принятой математической модели следует, что в первом случае измерительное устройство зафиксирует в момент 0ц не значение Zi. а величину yi , которая при срсднеквадрашческом отклонении та(0) ПП равна х.и или Zn (Pif 3) Аналогичная ситуация возникает и'при пасле;(уюшнч измерениях ПП. Таким образом, в идеальных условиях величина ПП не может быть измерена с абсолютной точностью В связи с этим возникает необходимость реше-нил поставленной задачи на основе экстраполяционных расчетов по девяти вариантам измерения IIII (Рис.4)

В качестве предельного отклонения ПП от значений функции Z(0) принято срсднеквадрапгческое отклонение a(0)-±VD[2^(0)¡ Таким образом, осуществляя им;гга1шо1шос моделирозашк изменения вероятнортных характеристик ПП и перебирая варианты измерений действительн. х значений ГГГТ, мохаш провести сравтгтсльный анализ экстраполяциошшх методов для случая нде-

альмых средств измерения и отсутствия помех в канале измерения Г1П.

При рассмотрении второго варианта предлагаемой сравнительной методики вводятся понятия:

1) отношение "сигнал- шум" по математическому ожиданию:

г(в)

н,(0)"_ ; (13)

4(0)

2) отношение "сигнал- шум" по дисперсии:

Н2(в)-;__; (14)

О>(0)

Тогда математического ожидание смеси полезного сигнала и помехи целесообразно представить в виде двух различных функций,- поскольку влияние помехи может и зшпсжать, и завышать результаты измерений гш:

г.Ч©)- г(0)[1+1л-1,(0)] (15)

гЛо^елм/н.с©)] . • (16)

Рис. з

Идеальные услоппя пзиереття значений прошозпрусмего параметра

ж

з

Рис. 4

Варианты измереиия значений прогнозируемого параметра

Соответственно по отношению к выражению (15) дисперсию смеси выразим также в виде даух функций : •

'В,Л©)-1Ж,*(©)Ц+1/Н,(©)] (17)

Б12'(©)= ог,"(0)[1- 1/Н2(©)], где (18)

2 2

Ог ,(©)=Оа0+Оа1

аг*,(©)'

dal

+ Цу

I ФГ J

Аналогично для зависимости (16):

Ри^©)-^©}^ 1/Н2(©)]. Ба!(©)= О22'(0)[1- 1/Н2(©)], где 2 2

. 02'2(©)=0ао+0а1

+ 1>/

_ <1а1 _ . <*г _

(19)

(20)

Измерительное средство можно рассматривать как дополнительный источник помехи в канале измерений ПП. Поэтому вводятся дополшгташш следующие функции:

1) отношение "сигнал- шум" по математическому ожиданию:

г\(©)

Нз(6)= -; (21)

Х(О)

г'2(&)

Н4(0)= -; (22)

Х(в)

2) отношаше "сигнал- шум" по дисперсии:

Ог*!(0) .

Н,(©)= -; (23)

ОХ(0)

Н6(0)--; (24)

. Ох(©)

Тогда математическое ожидание полной смеси полезного сигнала н помехи (то есть смеси полезного сигнала 2(&), помехи 5(0) п канале изм-реш1Я и помехи средства измерения %(©)) мо:кно представить п виде четырех рамтга;их функций:

г,,"(©)-2\(0)[1+1/Н,(0)] (25)

г1Г(©)=^,(0)[1-1/н,(0)] (26)

гзГСв^гуош+гщ©)] (27)

7ъ"(&)=г'3(в)[ 1-Щ0)]. (28)

Соответственно по отношетпо к выражешпо (25) дисперсию полной смеси выразим также в виде двух функций:

ОпГ(©)= Б2,Г(©)[1+1Л1а(6)] (29)

• Ош"(О)=О21Г(О)11-1/Н!(0)]. где (30)

Ог „(®)-Оао+Оа,

(За1

+ 1>г

¿у

Аналогично определим дисперсию для зависимости (26):

DZ¡2"(Q)[1 + 1/НК®)];

От"(в)- Ог12"(в)[1 - 1/Н5(0)], где _,2 .

О2"12(0)"Оао+ Ба,

<Е »(0)

+ Е>у

12(0)

I ¿у

Дисперсия для выражения (27):

Ош"(0)-О221"(©)[1+ 1/нле)].

Бг^'Ч©)!!- 1ЛЦ(0)1. где

2

О2"з,(0)-Вао+ Эа,

«За]

+ ЕУу

О. „(О)

¿Г J

Дисперсия для пыражения (28):

Оо."(е)- огх,"(©)[1+ 1/н«(©)];

' Оги"(©)- О2„"(0)[ 1 - 1 /Н6(©)], где 2

02**22(©)=Оа0+ Оа,

<£ 22(©)

. ¿а, _

+ Г>у

& а(в) . ¿Г .

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

Таким образом, используя выражения (24)-(35) и осуществляя имитационное моделирование по многочисленным вариантам измерения ПП и воздействия на результаты измерений помех и инструментальных погрешностей,- можно получить результаты, необходимые для выполнения сравнительного анализа эффективности экстралоляшонных методов.

Точность экстр.лоляции определялась относительными погрешностями

2

идентификации вероятностных характеристик ПП в сразивши с эталонными значениями ПП.

Изложены результаты экспериментов по определению оптимальных условий использования МКМА.

К оптимальным условиям применения МКМА можно отнести следующие:

- величина первого измерения должна быть помещена в начало координат нормированного квадрата наблюдения и экстраполяции (ао=0);

- оптимальное время наблюдения ©I составляет величину 0.2 - 0.3;

- наименьшие погрешности экстраполяции наблюдаются, если у<1.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы, связанные с програимнэ-алпаратной реализацией алгоритмов МКМА. Разработаны рекомендации по программго-аттаратному обеспечешпо: 1) для наземных условий ТО БРЭО; 2) в составе бортовой автоиатизнропагшой системы технического даагносшро-. вания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ .

1. Проведен аналитический обзор современных методов прогнозирования ТС БРЭО.

2. Предлолки метод прогнозирования вероятностных характеристик ПП на основе квантования и марковской аппроксимации.

3. Предложены алгоритмы' расчета эксгрополяционных значении вероятностных характеристик ПП для трех и четырех точек наблюдения за изменением ПП.

4. Произведен экспериментальный сравнительный анализ эффективности традиционных экстраиоляцношплх методов и МКМА. •

5. Разработан програшшглй гтасст имитационного моделировзгон.

6. Разработали рекомендации по програшшо-глпвратпой реализащгл алго-ритмоп МКМА о целях прогнозирования ТС БРЗО.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.. 1. Игнатов В.А., Рожников A.B. Прогнозирование технического состояния бортового радиоэлектронного оборудования методом ква1гтования и марковской аппроксимации // Проблемы авионики. Сборник научных трудов/ Под ред. А.Я.Белецкого.- К: КМУГА, 1996:- с.25-35 .

2 Ипштов В.А., Рожников A.B., Тарасов O.A., Клоков С.Ю. Перспективы развития прогнозирующего контроля бортового радиоэлектронного оборудовали воздушных судов гражданской авиации // Проблемы авионики. Сборник научных трудов/Под ред. А.Я.Беясцкого. - К.: КМУГА, 1996. - с.35-43.

3. Игнатов В.А., Клоков С.Ю., Ро;кников A.B., Тарасов O.A. Экспериментальная методика определения собственных согласованных сигналов для диагностируемых каналов сетей связи с подвижными объектами // Проблемы авионики. Сборник научных трудов/Под ред. А.Я.Белецкого. - К.: КМУГА, 1996. -с. 13-25. •

4. Рскпиков А.Б., Новиков М.В. Программно-аппаратная реализация алгоритмов метода квантования и марковской аппроксимации в целях прогнозирования технического состояния бортового радиоэлектронного оборудования / / Прикладные системы искусственного интеллекта в задачах пятоматизащш и тестирования программ управления в технических системах. Сборник научных трудов/Под ред. Ю.М.Минаева.-К: КМУГА, 1997. - с,72-74.

5. Рожников A.B. Методика сравнительного анализа эффективности экстрапо-ляциоиных методов // Безопасность полетов в современных условиях. Тез. докл. на научи.-техн. конф. Киев: КМУГА, 1997г. - с.25.

6. Рожников A.B. Сравнительный анализ эффективности экстраполяционных методов // Международная конференция по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию. Тез. докл. на научи, -техн. конф. Одесса, 1997г.-с. 37.

ЛпотацЬ]

Рогайков A.B. Пропюзувшшя техшчного стану радюэлектроного облад-ишшя поопряннх суден цизшыю! asisiml. Дисертпш на здобуття наукозого

14

ступеня кандидата техшчних наук за снешапыпстю 05.22.14 - вксплуатаща повЬряного транспорту. Кшвський «¡жнародшш ушверситет пившьноГ aainnil. м.Кш'в, 1997.

Метою дисертацишо! робота являеться розробка методу пропюзувания техшчного стану радиоелектроного обладнання повпряних суден цившыю! afliamii на ochobi квантування та марковскоГ аппрокснмацп, алгоритмов та про-грам на ocuofli запропонованого методу. Робота вюночае результата тсоретич-них та экспериментальних доонджень по визначешпо властивостен та особлн-востей методу, його ефективносп в nopinimnii з традицшнимн методами про-гнозувшшя. Представлен!: алгоритм!! методу, проп.аипо-апаратна реалЬащя залропонованих алгоритшв апроксимащ!.

Annotation

Rozhnikov А V. The technical state forecasting of civil aircraft radioequip-. ment. The dissertation to submit ont's thesis for candidate's scientific degree in technical sciences on speciality 05.22.14 - Operation of a air transport. Kiev international university of a civil aircraft, Kiev, 1997.

The purpose of this work is development of a method of the technical state ' forecasting of civil aircraft radioequipment on the basis of quantization and Markov approximation, algorithms and programs on the basis of a offered metod. The work contains results of theoretical and experimental researches on definition of properties and features of a method, its efficiency in comparison with conventional methods of forecasting.

There is submitted in work: algorithms of a method, hardware end software realization of offered algorithms approximation.

iOuoncBbse слова: прогнозирующий параметр, экстралоляционшхш метод, метод квантоваши и марковской алпроксимацш!.