автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Самоорганизующиеся системы технической диагностики устройств железнодорожной автоматики и телемеханики

Президи>т s 4 s России

|рше®6 Ш:

исудилучен

Ut s, I4".... ii[ir \

. ДОКТОРА

ШУИ

•Начальник управления ВАК Pwenn ¡

' V " Т

ииээ<

^»г?/? Г1П-7-7/Х TP

Í дн'оьЛ уйУЛэйЙВ

АО

г* V»

ииээоа >i va: м

! fi f I "'.f. i, J. If

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ

Виктор Михайлович

блокировки)

Диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Особенности диагностирования систем и устройств железнодорожной автоматики 7

1.2. Самоорганизация в системах технической диагностики (ТД) 12

1.3. П остановка задачи диссертации 19 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ

И ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ

2.1. Тестовые и функциональные системы ТД 21

2.2. Тестовая диагностика в технической системе 22

2.3. Разработка модели диагностики с использованием рядов Тейлора и Лорана 39

2.4. Формирование алгоритма измерений параметров

в самоорганизующейся системе ТД 47

2.5. Применение методов самоорганизации для решения задач диагностики 56

2.6. Модели диагностирования элементов электрических схем 64 2.6.1. Модель тракта управления в системе ТД 70

2.7. Выводы по второй главе 82 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ В САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЕ ТД 84

3.1. Идентификация параметров в системе ТД 85

3.2. Разработка модели анализатора процесса идентификации 94

3.3. Вывод законов функционирования объекта диагноза

в системе ТД 98

3.4. Устойчивость моделей оценки технического состояния релейных схем 107

3.5. Разработка методов оценки работоспособности

в самоорганизующихся системах диагностики 110

3.5.1. Оценка работоспособности в тестовых и

функциональных системах диагностики 110

3.5.2. Определение допустимых областей работоспособности 113

3.6. Выводы по третьей главе 121 ГЛАВА 4. АНАЛИЗАТОР СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 124

4.1. Основные принципы построения диагностического анализатора 124

4.2. Правила построения алгоритма анализатором при диагностировании 134

4.3. Построение критерия оценки технического состояния

в системе диагностики 137

4.3.1. Расчет последовательных многотактных схем 139

4.4. Эффективность работы анализатора 142

4.5. Вывод по четвертой главе 151 ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 153

5.1. Проблема измерений в системе технической диагностики 153

5.2. Модели итерационных методов измерения 157

5.3. Исследование устойчивости итерационных методов измерения 162

5.4. Разработка прецизионного метода измерения с использованием

масштабирования 172

5.5. Определение параметров и достоверности измерительного тракта 177

5.6. Выбор технических средств с учетом заданного уровня достоверности контроля 183

5.7. Структурная схема системы диагностики 186

5.8. Выводы по пятой главе 197 ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ 198 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 201 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 205 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 211 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 214 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 216 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 220 ПРИЛОЖЕНИЕ 5 224 ПРИЛОЖЕНИЕ 6 227

ВВЕДЕНИЕ

Устройства автоматики на железнодорожном транспорте выполняют одну из ответственных функций - обеспечение безопасности движения поездов. В этой связи идет постоянный процесс совершенствования параметров систем управления как конструктивных, так и энергетических, что, в свою очередь, обуславливает потребность в усовершенствовании и создании таких устройств контроля, которые адаптируются под модернизируемые объекты автоматики. Поэтому большое значение приобретают задачи идентификации, прогнозирования и распознавания образов для реализации в системах диагностики, с целью повышения надежностных и эксплуатационных характеристик контролируемых устройств. Применение вычислительных машин в процессе контроля позволяет не только улучшить условия труда, но и повысить достоверность оценки технического состояния, поднять производительность труда.

Рост оснащенности железных дорог, внедрение новых систем регулирования настойчиво выдвигает в разряд первоочередных задачи: - совершенствования технического обслуживания;

разработки новых методов и современных технических средств автоматического контроля и диагностирования. Это позволит значительно снизить эксплуатационные затраты, повысить производительность труда обслуживающего персонала, повысить

достоверность информации о состоянии систем регулирования движением поездов.

Однако разработка методов и технических средств диагностирования происходила с акцентом на применение ручных методов диагностики. С другой стороны, разработанные методы технической диагностики требуют создания контролепригодных устройств систем железнодорожной автоматики (СЖАТ). Это ставит перед разработчиками СЖАТ дополнительные проблемы, связанные с реализацией схем, пригодных для диагностирования. Работ, направленных на развитие теории и методов технической диагностики, исключающих человека из технологического цикла и реализующих потенциальные возможности ЭВМ, недостаточно. Технические средства диагностики построены таким образом, что схемные изменения объекта контроля обуславливают их реорганизацию, так как они адаптированы под контроль определенных параметров. Развитие и применение новых устройств СЖАТ, требует создания новых технических средств, а также методов обработки информации.

В этой связи представляет интерес другие подходы к решению задач диагностики: путем построения адекватных моделей на ЭВМ и применения для этого методов самоорганизации. Одной из важнейших проблем, возникающих при разработке систем подобного класса, является совершенствование методов выделения и формирования цели. Таким образом, реализация самоорганизующихся систем связана с решением следующих задач, а именно:

- разработкой моделей формирования цели в системе технической диагностики с учетом достоверности контроля и точности измерительного процесса, а также требуемых управляющих сигналов;

- теоретическим обоснованием структуры самоорганизующихся систем;

- разработкой теоретических основ построения анализаторов для систем диагностики с оценкой эффективности этих решений;

- разработкой теории и методов измерения параметров в самоорганизующихся системах диагностики;

- разработкой аппаратных средств для систем диагностики и ее основных элементов.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

1.1. Особенности диагностирования систем и устройств железнодорожной автоматики

Системы железнодорожной автоматики и телемеханики предназначены для управления движением поездов и обеспечения безопасности перевозок. От надежной работы СЖАТ зависит пропускная способность

железных дорог, время оборота вагонов, себестоимость перевозок и производительность труда.

Увеличение скоростей движения требует замены устройств СЦБ новыми, построенными на современной элементной базе. При этом развитие СЖАТ характеризуется тенденциями дальнейшего расширения функциональных возможностей систем и применения для их построения ЭВМ и элементов интегральной техники. При этом неизбежно усложнение систем и компонентов. Этим обоснована постановка проблемы повышения надежности СЖАТ и совершенствования процессов их обслуживания. Указанные проблемы можно решить с помощью следующих основных способов.

1. Применением высоконадежной элементной базы. Как известно, при построении релейных СЖАТ используют специальные устройства электромагнитные и индукционные элементы. Их надежность обеспечена специальными конструкторскими мерами. Они остаются основой исполнительной части, где требуется высокая надежность управления.

2. Применение эффективных методов технического обслуживания [19, 21]. Практика эксплуатации СЖАТ и научные исследования способствуют построению совершенных методов ТО (бригадный подряд, гарантийный метод ТО, переход от КИП к РТУ, создание новой контролирующей и измерительной аппаратуры). Поскольку к СЖАТ предъявляются высокие требования, так как она выполняет ответственные функции по регулировке движением поездов, средства диагностики, в свою оче-

редь, должны обеспечивать высокую достоверность, а также полноту контроля.

Непрерывный характер работы обуславливает применение тестового и функционального контроля элементов систем и предъявляет высокие требования к контролю параметров исполнительных элементов. Поэтому проверка и контроль технического состояния элементов систем (реле, блоков и др.) является одной из актуальных задач. Причем необходимо разработать такие подходы и методы в диагностике, которые позволили бы всесторонне анализировать работу, не только эксплуатируемых устройств, но и работоспособность новых устройств, например микропроцессорных систем ЭЦ. Использование диагностических систем в процессе пуска и наладки устройств СЦБ позволит значительно повысить их эксплуатационную надежность, поднять производительность труда и культуру производства в результате повышения качества проверки проведенных технологических регулировок обслуживающим персоналом. Ранее при создании систем технической диагностики были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработаны модели проверки логических схем.

2. Проведены исследования свойств и анализа работоспособности эксплуатируемых и вновь разрабатываемых систем и схем.

3. Разработаны методы создания средств технического контроля для эксплуатируемой аппаратуры, ориентированные на применение ручных методов диагностики.

4. Разработаны программные алгоритмы диагностирования объектов контроля для ручных способов выявления неисправных элементов.

Решение отдельных задач изложено в ряде монографий [21,39,43], сборниках трудов Совещаний по технической диагностике [4,24]. Вопросы технической диагностики были рассмотрены в трудах Дмитренко И.Е., Сапожникова В.В. , Сапожникова Вл. В. и др. Вопросы применения цифровых методов измерения в устройствах автоматики рассмотрены в трудах Баранова Л.А.

Одной из ключевых является проблема разработки математических моделей, т.к. от модели, применяемой для формализации работы диагностируемых схем, зависит точность в принятии решений. Одним из основных способов построения моделей является задание таблиц функции неисправностей [45,21] или модели нормальной эквивалентной формы ЭНФ. Другим направлением является построение аналитических моделей в виде булевых формул и связанный с ним аппарат булевой алгебры.

При диагностировании мноштактных последовательных схем наиболее часто используются аналитические модели. Проводимые исследования диагностики многотактных последовательных схем были связаны с анализом отказов, либо с построением специальных тестов, позволяющих обнаружить отказ, но не позволяющих определить причину его возникновения. Поэтому возникла необходимость разработки моделей и последовательных тестов, тесно увязанных с физическими свойствами объекта, например, величин напряжений срабатывания устройств, временных па-

раметров и др. Это позволит не только обнаружить, но получить полную информацию о причинах возникновения неисправности. Учет этих факторов значительно повышает качество диагностирования, что ведет к повышению качества работы эксплуатируемых систем автоматики и телемеханики. В этой связи одна из главных задач состоит в разработке моделей, позволяющих анализировать состояния в контролируемом объекте и принимать решения о выборе пути формирования алгоритма проверки.

Разработка алгоритма диагностирования. Концепция этого направления исследований такова: каждому техническому средству соответствует определенный алгоритм проверки. При этом разрабатываемые тесты должны быть ориентированы на автоматические способы поиска неисправностей, учитывающие физические параметры контролируемых устройств.

Одна из особенностей проверки работы устройств СЦБ заключается в том, что требуется оценить их работоспособность, совместив функциональный и тестовый контроль, с целью проведения анализа работоспособности объекта в различных ситуациях, что обуславливает разработку новых методов технической диагностики с применением самоорганизации, а также создания новых систем диагностики. Применение самоорганизации значительно расширяет функциональные возможности системы, так как она не требует каких-то дополнительных технических усовершенствований, а изменяется лишь модель контролируемого устройст-

ва, на основании которой формируется алгоритм проверки с учетом физических параметров объекта.

1.2. Самоорганизация в системах технической диагностики

В системах технического обслуживания, отвечающих за безопасность движения, применяется планово-предупредительный режим, то есть по истечению определенного периода эксплуатации проводится регулировка или замена всех изделий данного типа, в заранее установленном объеме, независимо от фактического состояния каждого из них. Поэтому система диагностики должна обеспечивать тестовый режим диагностирования наиболее ответственных исполнительных устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики, с которыми проводятся регламентные работы. Однако разработанные методы тестового контроля не предназначены для использования в автоматизированных системах диагностики, так как они ориентированы на применение ручной технологии и не обеспечивают необходимой глубины диагноза. Следовательно, необходимо построить такие модели диагностирования, которые в ограниченном временном интервале обеспечивали бы возможность непрерывной оценки работоспособности в заданный период эксплуатации. Поэтому разработка тестовых систем диагностики с применением испытательных сигналов, позволяющих выявить состояние всех важнейших параметров и сделать заключение о необходимости их регулирования, то есть восста-

новления требуемых по технологическому режиму количественных значений параметров, является актуальной научной задачей. Эффективность применения средств диагностики во многом определяется заложенными в них функциональными возможностями:

- точностью измерения контролируемых параметров объекта;

- возможностью контроля и диагностики новых устройств, примененных в системах автоматического регулирования движения поездов;

- исключением ручных операций из процесса измерения и диагностирования;

- возможностью проведения тестовых испытаний, с учетом выполняемых функций, вплоть до прогнозирования важнейших, определяющих параметров на заданный промежуток времени.

Реализация тестовых испытаний с прогнозированием технического состояния стала возможным благодаря применению принципов самоорганизации при построении моделей обработки сигналов в диагностических системах.

Развитие микроэлектроники и на ее основе измерительной техники, применение ЭВМ ставят задачи дальнейшего развития теории и методов измерения и оценки параметров объекта контроля. Измерение определяющих параметров по заданной процедуре технологии проверки требует изменения в подходах построения функций оценки и проведения измерительного процесса, введению в нем принципов самоорганизации, так как

значение параметра зависит от правильности выполнения операций на контролируемом устройстве. Используя традиционные подходы в измерении параметров, можно говорить лишь об отдельном количественном значении данного параметра. Введением в технологический цикл испытаний, значение параметра можно представить как функциональную зависимость, стремящуюся к некоторому значению за прогнозируемый промежуток времени, что позволяет значительно увеличить глубину диагноза и поднять качество выпускаемой продукции. Введение функциональной зависимости в режим измерения позволяет поставить вопрос о коррекции результатов с учетом не только инструментальной, но и методической ошибки измерения.

Применение принципов самоорганизации ставит задачу разработки эффективных методов построения диагностических анализаторов, обеспечивающих формирование проверочной последовательности, исходя из схемы объекта, записанной в символьной форме и учитывающей особенности построения (типы элементов, их параметры и так далее), и реализующих режим самообучения с применением модели многорядного пер-септрона. Построение диагностических анализаторов требует разработки моделей идентификации ос