CC BY
22
10.36724/2409-5419-2020-12-4-44-55
ФОРМАЛИЗАЦИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
ПУГАЧЕВ
Алексей Юрьевич1 ТАТАРОВ
Максим Олегович2 МУРАШОВ
Анатолий Александрович3
Сведения об авторах:
1
к.т.н., заместитель начальника научно-исследовательского отдела Ярославского высшего военного училища противовоздушной обороны, г. Ярославль, Россия, [email protected]
2к.т.н., доцент, начальник научно-исследовательского отдела Ярославского высшего военного училища противовоздушной обороны, г. Ярославль, Россия, [email protected]
3д.т.н., доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела Ярославского высшего военного училища противовоздушной обороны, г. Ярославль, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Современные комплексы военной техники, находящиеся на вооружении Воздушно-космических сил России, содержат в своем составе значительное количество радиоэлектронной аппаратуры. Наиболее критичной операцией при восстановлении их работоспособности в процессе эксплуатации является техническое диагностирование, выполнение которого направлено на определение мест и причин неисправностей. Информационная поддержка диагностирования в настоящее время организована на основе бумажного комплекта документации, использование которого характеризуется значительными временными задержками. Показано, что известные автоматизированные системы информационной поддержки диагностирования ориентированы на предоставление информации об эталонном состоянии аппаратуры и не позволяют ав-томатизированно определять непосредственно причину неисправности по диагностическим признакам. Предсказано, что построение диагностической модели, отражающей взаимосвязь признаков и причин неисправностей, позволит повысить уровень автоматизации информационной поддержки за счет создания человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего диалог системы с обслуживающим персоналом в конструкциях естественного языка. Целью работы является создание способа представления неисправностей в виде диагностической фреймовой модели, выступающей в качестве информационного ресурса информационной диалоговой системы, которая позволяет значительно сократить время, требуемое для определения причин неисправностей радиоэлектронной аппаратуры. Новизна предлагаемого подхода к концептуальной формализации неисправностей радиоэлектронной аппаратуры состоит в том, что он позволяет напрямую оперировать терминами и понятиями предметной области технического диагностирования в конструкциях естественного языка без необходимости их преобразования в математические нотации, представляющие признаки неисправностей в информационных системах традиционной структуры. Показано, что представление неисправностей на основе предлагаемого подхода может выступать в качестве основного информационного ресурса диагностической диалоговой системы, функционирующей по принципу «вопрос-ответ» на естественно-подобном языке. Построение информационного интерфейса, обеспечивающего связь диагностической модели с обслуживающим персоналом посредством запросов и ответов на естественно-подобном языке, обеспечивает значительное сокращение времени диагностирования, что позволяет снизить общее время восстановления технических комплексов и систем.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: техническое диагностирование; диагностический признак неисправности; радиоэлектронная аппаратура; концептуальная формализация; явные диагностические модели; фреймы.
Для цитирования: Пугачев А.Ю., Татаров М.О., Мурашов А.А. Формализация неисправностей радиоэлектронной аппаратуры при проектировании диагностических систем сложных технических комплексов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2020. Т. 12. № 4. С. 44-55. doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-4-44-55
Введение
Одним из путей повышения эксплуатационных показателей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) сложных технических комплексов является сокращение времени восстановления за счет использования средств автоматизации (СА). Наиболее трудоемкой операцией при восстановлении РЭА, слабо поддающимся автоматизации, является техническое диагностирование. Это объясняется необходимостью выполнения значительного числа трудно автоматизируемых операций, требующих непосредственного участия обслуживающего персонала (ОП), таких, как формирование диагностических признаков неисправностей, анализ расхождения между эталонными и измеренными значениями диагностических параметров и т.д.
В настоящее время существует ряд методов и методик, направленных на решение задач автоматизации процесса диагностирования РЭА, использующие в своей основе модельное представление аппаратуры [1-3]. Использование моделей РЭА в средствах автоматизации процесса диагностирования позволяет в упрощенном виде отражать определенные аспекты представления аппаратуры [4], что предоставляет возможность в системах информационной поддержки (СИП) более эффективно организовать процедуру технического диагностирования с участием ОП. Анализ таких диагностических моделей (ДМ) показывает, что большинство из них представляются в математических понятиях и терминах теории графов, матриц, множеств и т.п., а не в понятиях и терминах предметной области [3, 4]. Это приводит к тому, что обслуживающему персоналу необходимо иметь знания и опыт взаимодействия с ДМ и запросными средствами для извлечения диагностической информации (прямая интерпретация моделей), а также для формирования условий, определяющих в запросах ОП требования к необходимой диагностической информации (обратная интерпретация моделей). Вследствие этого при выполнении операций диагностирования имеют место определенные временные потери, что негативно отражается на значении эксплуатационных показателей РЭА.
Примером подобного взаимодействия ОП с системой информационной поддержки технического диагностирования может выступать операция локализации отказов в процессе технической эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры зенитных ракетных комплексов (ЗРК). Алгоритм действий по поиску места и причины неисправности РЭА состоит, как правило, в последовательном получении информации о реальных значениях диагностических параметров путем наблюдений или измерений, в оценке расхождений между реальными и эталонными значениями, а также в принятии решения о причине неисправности по совокупности выявленных расхождений. В случае с аппаратурой зенитных ракетных комплексов основным официальным источником диагностической информации об эталонных
характеристиках выступает комплект эксплуатационной документации (ЭД), входящий в комплект поставки этих комплексов. Особенность построения документации на ЗРК состоит в том, что аппаратура описывается довольно подробно: рассматриваются особенности конструктивной реализации, выполняемые функциональные задачи, номинальные значения большого количества параметров. В документации часто приводятся технологические требования и рекомендации по проведению регулировок, измерений, монтажа/демонтажа и пр.
Приведенный выше пример иллюстрирует то, что высокая информативность источников сведений об объекте диагностирования положительно влияет на востребованность СИП в процессе технического диагностирования, а также способствует сокращению время его выполнения. Однако, несмотря на очевидные достоинства от использования СА при техническом диагностировании, общий уровень автоматизации процесса диагностирования в целом остается невысоким, так как основную роль в выполнении отдельных операций, а также в принятии решений на основе получаемой диагностической информации (ДИ) выполняет ОП.
Высокие потенциальные возможности по автоматизации процесса диагностирования РЭА, обеспечиваются при использовании особого вида диагностических моделей, которые в литературе [3] называются явными диагностическими моделями (ЯДМ). Особенность таких моделей состоит в наличии в них явного описания свойств и признаков аппаратуры, совокупность которых позволяет идентифицировать ее состояние, а также выработать решение о вероятном месте и причине отказа РЭА. В отличие от неявных, явные диагностические модели обеспечивают прямое соответствие между совокупностью признаков неисправностей и их причинами.
На рис. 1 иллюстрируется использование ЯДМ при определении вероятных мест и причин неисправностей РЭА. Здесь АП1, ДП2, АП^—множество расхождений между реальным и эталонным значениями параметров, «подозреваемых» в нарушении. Эти параметры в совокупности составляют множество АП и выступают в качестве «образа» неисправности — множества изменений в аппаратуре, характеризующих нарушение ее технического состояния [1-4].
Постановка задачи
Рассматривая взаимодействие обслуживающего персонала с информационным источником ЯДМ РЭА как некий диалог в ходе принятия решения ПРЛО о локализации отказа, следует отметить, что в качестве запроса ОП, или условия для поиска информации, рассматривается множество АП диагностических признаков неисправностей, в то время, как ответом на такой запрос следует расценивать ответную информацию ОИ в контексте неисправности — прямое указание на вероятное МПН место и причину неисправности либо указание на то, что требуется указать
Рис. 1. Схема принятия решения о вероятном месте и причинах неисправностей при использовании диагностических моделей в явной форме
недостающие диагностические признаки ДП' и перейти к следующему циклу ЛО локализации отказа.
Организованное таким образом взаимодействие с информационным источником ЯДМ РЭА обеспечивает некоторое сокращение времени, затрачиваемого на анализ имеющихся признаков неисправностей непосредственно при принятии решения о вероятном месте и причине неисправности [3, 4, 6]. При этом эффективность использования явных диагностических моделей в средствах автоматизации в значительной степени определяется видом формализованного представления ДМ и способами работы с ними [2, 4, 5]. Применение бумажных документов, как в вышерассмотренном примере, создает определенные временные задержки, связанные с навигацией в информационном источнике и невозможностью контекстного поиска. Напротив, использование СИП, построенных на основе систем управления базами данных, как правило, требует наличия специфических компетенций в сфере информационных технологий, что не всегда оправдано при решении задач непосредственно технического диагностирования.
С этой точки зрения большой интерес представляют концептуальные диагностические модели, которые характеризуются использованием терминов, понятий и конструкций естественного языка [4, 6]. Использование так называемого концептуального формализованного представления объекта диагностирования позволяет совместить математический, «машинный» и структурно-логический, «человеческий» язык описания объектов, явлений или процессов. Такой подход зарекомендовал себя с положительной стороны при решении задач формирования схемных фрагментов, агрегированных текстовых
документов и перечисления текстовых данных по условиям запросов, выполненных в конструкциях естественного языка [4-8]. Тем не менее, представленные в работах [6-8] способы формирования диагностических моделей не учитывают возможность сопоставления диагностических признаков неисправностей и соответствующих причин, что обуславливает необходимость непосредственного, явного представления неисправностей, выполненного на основе математического аппарата представления информации о них в виде формальной системы.
Анализ зарубежных работ, посвященные инженерии знаний в технической диагностике, указывает на глубокую проработку методик выявления и анализа специфических характеристик, параметров и признаков, указывающих на наличие проявлений неисправностей в технических системах [9, 11]. Одновременно с этим, в источниках [6-10] отсутствуют работы, направленные на разработку информационных интерфейсов, ориентированных на выдачу информации о вероятных причинах неисправностей по диагностическим признакам, приведенным в конструкциях естественного языка.
Учитывая отмеченные факторы, задача разработки формализованной концептуальной диагностической модели на основе формальной системы представления знаний, которая позволяет выступать информационной основой для естественно-языковых интерфейсов, является актуальной.
Выбор формальной системы
представления неисправностей
Следует отметить, что в науке известны работы, в которых изложены результаты исследований по выбору формальной системы представления радиоэлектронной аппаратуры и ее неисправностей в виде семантических сетей [11, 12]. Такой подход к формальному представлению РЭА позволяет отразить математико-лингвистическую природу описания неисправностей, т.е. на требуемом уровне обеспечить связность языковых триплетных конструкций «объект-предикат-субъект» и семантических шаблонов вида «вершина-дуга-вершина» [1, 5]. Несмотря на это, математический аппарат семантических сетей имеет ряд ограничений с точки зрения установления взаимосвязи между диагностическими признаками неисправностей и их причинами. Кроме того, для описания неисправностей, вызванных более сложными видами отказов — зависимыми, перемежающимися, постепенными — следует использовать более гибкие формальные системы, позволяющие отразить изменения в техническом состоянии объекта диагностирования во времени — как динамический процесс.
Вопросы представления и накопления знаний в формальных информационных системах решались для различных предметных областей: экономики, менеджмен-
та, медицины, технических наук. Так, в работах [13-15] представлен механизм аккумуляции знаний о бизнес-процессах, в работах [16, 17] изложены подходы к созданию экспертных систем для поддержки принятия решений в медицинской диагностике и машинном переводе. Общей характерной чертой таких подходов выступает использование фреймовой модели представления знаний [18]. Совокупность знаний, представленная в виде модели на основе фреймов, обеспечивает возможность, помимо прочего, учитывать контекст ситуации, в которой находится объект диагностирования, а значит,— смоделировать процесс неблагоприятного воздействия на аппаратуру, приведший к неисправности.
Кроме того, следует отметить, что в работе [13] приведен механизм перехода от фреймовой модели объектов, сущностей и процессов к их объектно-ориентированному представлению, что позволяет перейти от строго научной к информационно-технологической форме описания моделей, широко используемых при проектировании и разработке современных автоматизированных систем на языках программирования высокого уровня [5, 13, 18].
Выбор подходящей формальной системы представления знаний целесообразно выполнить с учетом трех основных аспектов:
1. Диагностический аспект: наличие соответствия между множеством р1* неноминальных свойств, описывающих неисправность РЭА, и множеством £неисправных состояний РЭА;
2. Концептуальный аспект: представление всякого свойства рп описывающего РЭА (исправную или неисправную), набором терминов А , понятий Е и отношений R предметной области;
3. Формальный аспект: представление связей между предметными терминами А понятиями Е и отношениями R , характеризующих неисправности РЭА, в виде математических выражений.
С учетом этого, процесс представления неисправностей в виде ЯДМ предполагает использование набора формальных абстракций, содержащих описание объектов детерминированной структуры с помощью набора атрибутов, а также различных типов отношений между такими абстракциями. В качестве примера объекта с такой структурой предлагается рассмотреть фрагмент матрицы состояний конкретного блока зенитного ракетного комплекса — блока ФР361Е2, входящего в состав аппаратуры подготовки и пуска ракет (АППР) 83Ф6Е2. В эксплуатационной документации данная матрица состояний представляется в табличном виде, как отражено в табл. 1.
Следует отметить, что в этой таблице находят отражение каждый из рассмотренных выше аспектов, однако основным из них является диагностический, как наиболее востребованный обслуживающим персоналом в процессе
диагностирования. Этот аспект выражается в сопоставлении множества S дискретных состояний аппаратуры множеству 0 элементарных проверок на контрольных точках. Концептуальный аспект построения такой диагностической модели представлен наличием объектных понятий и терминов E, а также связей R между ними. Формальный аспект в рассматриваемом примере проявляется слабо и используется исключительно для структуризации диагностической информации в конкретных ячейках таблицы. Соответствие между текущим состоянием s. РЭА и проверками номиналов некоторых свойств P. аппаратуры следует представить в следующем виде:
S )> (1)
где ) = (0(pa),©p),...,0(p,N)} — множество проверок, необходимых для различения текущего состояния РЭА.
В свою очередь, всякое свойство pj е р может быть представлено совокупностью бинарных отношений вида ra (em, en ), каждое из которых характеризует связь между двумя элементами е., е. в описании аппаратуры:
Pij= Га (em . e„ ) U ГЬ (ek . ep ) U ... U rz (ex . ). (2)
Следует отметить, что описание неисправности x. помимо признаков, представленных нарушением свойств P*, содержит причины œ., представленные наличием конструктивного или эксплуатационного дефекта d, а также действия z,, направленные на восстановление исправного состояния s0 из неисправного состояния s.. Полное формальное описание такой неисправности может быть записано в следующем виде:
xi =< si ' Pi ' 0i ' Щ (di)zi (s,s0 ) >. (3)
Раскрывая концептуальный аспект формального описания неисправности в ЯДМ с учетом использования в каждом элементе описания неисправности x . предметных понятий, терминов и конструкций, кортеж (3) можно записать в следующем виде:
х, =< s,, P (A,R), ег (A,R), щ (d,, A,R), z, (s, ),s0 (A) >, (4) где P ( A,R) = [pn( A,R),pi2( A,R),...,pm( AR},
e , ( A,R) = (6 fl ( A,R),Q a ( A,R),...,e M ( a,r)}.
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Таблица 1
Представление фрагмента матрицы состояний в виде фрагмента таблицы неисправностей
^^^^ ДПар Состояния бл.ФР361Е2 ^^^ 01 Напряжение питания разъема Ш2-14 02 Свечение индикатора «Неиспр. пит» 03 Состояние предохранителя Пр1 04 Ток нагрузки на разъеме Ш3-18 Д0) Вероятное место и причина отказа
s0.• Блок ФР361Е2 исправен (0) 5В±10% (0) P2 Не светится (0) Pз В порядке (0) P4 20..30 мА -
s1: Внутреннее нарушение электропитания БПС-1 (0) P1 5В±10% (0) P2 Не светится (0) Pз В порядке P4(I) 0 А БПС-1 (ОА1)
s2: Внутреннее нарушение электропитания ДЩ200-05 (2) Pl 0 В (0) P2 Не светится Pз(I) Перегорел P4(I) 0 А ДЩ200-05 (01)
s3: Внутреннее нарушение стабилизации напряжения БПС-3 (ОА2) (3) 5,5..7 В (0) P2 Не светится (0) Pз В порядке (0) P4 20..30 мА БПС-3 (ОА2)
s4: Короткое замыкание в нагрузке блока ФР361Е2 (4) Pl 5В±10% P2(I) Светится красным светом (0) Pз В порядке (2) P4 >0,5 А электрический контакт в нагрузке блока ФР361Е2
Такое формальное представление неисправностей осуществляется в математических терминах и нотациях теории множеств и отношений и не допускает формализации использования предметных терминов и понятий.
Особенности реализации явной диагностической
модели неисправной радиоэлектронной аппаратуры в виде фреймов
Для перехода к концептуальному формализованному представлению неисправностей, с учетом структурных особенностей представления (4) целесообразно использовать фреймовые модели. Для этого с каждой неисправностью х . следует ассоциировать некоторый образ, который представляется в виде фрейма Ф,, формально описывающий ассоциированную с ним сущность в виде последовательности слотов разного типа [18].
В соответствии с существующим определением фреймов целесообразно использовать формальное представление фрейма Ф в виде кортежа слотов:
Ф=(СТ1, СТ2,..., ст„), (5)
При этом каждый слот ог (г = 1, п) в общем виде имеет некоторую структуру, определяемую следующим образом:
^ = (V, ^), (6)
где V— множество значений слота а,
1 1
5,— демон слота а. [18].
Детерминированная структура описания неисправностей РЭА в виде (4) обеспечивает единые правила формирования общей фреймовой модели для описания неисправностей (ЯДФМ) из множества отдельных фреймов. Построение такой модели требует учета различных аспектов представления неисправностей в предметных понятиях, в связи с чем предлагается учитывать три аспекта: сущностный, ролевой и сценарный. Сущностный аспект отражает наличие и характеристику структурных элементов (сущностей), которые используются для описания признаков и причин неисправностей. Ролевой аспект отражает функциональность РЭА и нарушение функциональности. Наличие в ЯДФМ сценарного аспекта отражает взаимосвязь понятий предметной области (сопоставление признаков неисправности причинам, взаимозависимость электрических сигналов, влияние параметров элементов на функционал аппаратуры), связанных с представлением исправных и неисправных состояний.
В соответствии с этим, ЯДФМ целесообразно формировать на основе фреймов трех видов: фреймов-экземпляров Ф(1), фреймов-ролей Ф(2) и фреймов-сценариев Ф(3), определив особенности построения для каждого вида фрейма [5, 7, 18].
В качестве исходных данных для формирования фреймов-экземпляров Ф(1) выступает множество понятий А, формируемое на основе концептуального анализа данных различного типа из эксплуатационной документации (ЭД): электрических схем РЭА, технического описания и инструкции по эксплуатации КСН. Такие документы,
выполненные в текстовом и графическом виде, содержат набор данных, которые ОП может использовать при решении задач диагностирования: название блока, условное буквенно-цифровое обозначение блока, условные графические обозначения, а также наименования входящих в блок структурных элементов (ячеек, плат), элементов индикации и управления, входных, выходных и внутриблочных сигналов, соединительных элементов (жгутов, кабелей, проводов) между элементами схемы, разъемов и контактов и т. п.
С учетом вышеуказанных факторов, фрейм-экземпляр такого структурного элемента, как ячейка РЭА, может быть представлен в табл. 2. Этот фрейм содержит в столбце значений данных как предметные понятия, так и текстовые строки, что позволяет представить некоторую информацию о сущности РЭА в виде метаданных детерминированной структуры.
Таблица 2
Фрейм-экземпляр структурного элемента РЭА (пример)
Для учета структурных элементов, входящих в данный фрейм, предусмотрен слот «Входящие структурные элементы». Типовая ячейка РЭА может включать в себя 2 элемента типа «Индикатор», 2 элемента типа «Разъем», 2 элемента типа «Цифровая схема», 1 элемент типа «Резистор». Каждый из них, в свою очередь, также имеет собственное описание в виде фрейма-экземпляра с соответствующим значением слота «Уровень». Согласно существующей иерархии базовых несущих конструкций (БНК), для этого слота предусматривается 4 уровня разукрупнения: 4 — контейнер, 3 — шкаф, 2 — блок, 1 — ячейка,
0 — радиотехнический элемент или сборка, входящая в ячейку.
При определении ЯДФМ целесообразно ввести фреймы соединительных элементов, конструктивно выполняющие функцию коммутации электрических цепей.
Эти элементы следует разделить на уровни по принципу разукрупнения тех структурных элементов, которые они связывают:
4 — линии связи между шкафами и контейнерами, а также разъемы этих линий связи;
3 — многожильные кабели, связывающие блоки, а также разъемы этих кабелей;
2 — многомодовые линии связи между ячейкой и монтажной платой, а также разъемы этих линий связи;
1 — проводники внутри ячейки (одномодовые);
0 — контакты проводников или разъемов любого уровня разукрупнения.
Необходимость представления соединительных элементов в виде полноценных фреймов структурных элементов обусловлена тем, что причины значительной части неисправностей РЭА связаны с отсутствием качественного контакта между проводниками, обгоранием, окислением контакта, нарушением целостности изоляции проводника, их замыканием и некоторыми другими факторами, которые предусматривают нарушение передачи электрических сигналов или изменение их параметров.
Понятие «параметр» является одним из важных при описании неисправностей, поэтому это понятие также целесообразно представлять, как сущность, в виде фрейма, ассоциированного с тем структурным элементом, на котором он может быть измерен или отмечен. В качестве примера фреймы-экземпляры двух параметров, разных по типу и подтипу, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Фреймы-экземпляры электрического и визуального параметров
Имя фрейма параметр П1 параметр П2
Название напряжение контакта К1 свечение индикатора И2
Связанный элемент структуры контакт 1Ш1/18 индикатор «Испр.»
Тип параметра электрический визуальный
Подтип параметра (характеризующая величина) напряжение цвет свечения
Номинальное значение 5В ±5% зеленый
Необходимая аппаратура для проведения проверки вольтметр
Отклонения от номинала, характеризующие неисправность 0..1,5В; 1,5В..5В-5%; 5В+5%..+<» красный; мерцающий зеленый; свечение отсутствует
Представленные в табл. 3 параметры П1 и П2 могут проявляться или быть измеренными на ассоциированных с ними структурных элементах К1 и И2, причем в случае
Имя фрейма Ячейка А
Название Ячейка коммутации
Маркировка Я001А
Позиционное обозначение У5
Уровень Стандартная ячейка с 2 разъемами
Входящие структурные элементы Схема коммутации S1, подстроечный резистор устройство сравнение У3, Индикатор И4, Индикатор И5, разъем Р6, разъем Р7
Электрические цепи: Ц1, Ц2, Ц3, Ц4
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
исправного элемента структуры значение параметра будет равно номиналу, а в случае неисправного — одному из нескольких элементов множества, описанного в слоте «отклонения от номинала, характеризующие неисправность». Оценивая исправность блоков Б1 и Б2 по одному из соответствующих параметров П1 и П2, можно составить следующий набор соответствий:
5Б1(0) ^ г(к1,п1(0)) : «Напряжение на контакте К1 равно 5В ±5%»; 5Б2(0) ^ Г(и2,П2(0)) :«Цвет свечения индикатораИ1 зеленый»; (6)
Эб1(1) о Г (к1 ,п1 )'■ «Напряжение на контакте К1 от пут до 1,5В»;
Эб2(0) О г(и2,П2(0)) : «Цвет свечения индикатораИ1 зеленый».
Следует отметить, что каждый структурный элемент РЭА обладает определенной функциональностью, что отражается путем использования понятия функциональной задачи (функции), выполняемой элементом. При этом следует отметить, что описание неисправности на естественном языке часто выражается через нарушение функционала РЭА или одной из ее частей (структурных элементов). Это обуславливает необходимость выполнения функционального описания аппаратуры, а также нарушения ее функциональности с помощью фреймов-ролей.
При формировании фреймов-ролей основой выступают выполняемые изделием функциональные задачи и нарушения выполнения этих задач. Следовательно, для построения множества Ф(2) таких фреймов требуется определить множество всех функциональных задач F = {F1 ,...FN} , которые могут быть использованы для отражения функциональности РЭА в целом. При этом каждой корректно
выполняемой функции ^ е Fi следует сопоставить множество дисфункций F¡• * = {/¡-^таких, что F¡• * = Fi\ }, описание множества F¡** может быть составлено из признаков {р*,р(р,...,р(*'*} неисправно-
стей, в которых символами «(*)» обозначено нарушение соответствующей функциональности.
Каждая функциональная задача Г. в общем случае характеризуется набором используемых (входных) параметров и результатов выполнения (выходных параметров). Эти параметры, представленные фреймами-экземплярами, могут быть определены электрическими характеристиками сигналов (частота, напряжение и т.п.) либо характеристиками и признаками другого рода (шум, запах гари, гул, мерцание индикатора и др.), как показано на рис. 2.
Рис. 2. Формализованное представление функциональной задачи
Для корректно выполняемой функции набор входных и выходных параметров будет соответствовать номиналу, указанному в соответствующем слоте фрейма-экземпляра каждого параметра, а при нарушении функциональности имеют место два различных случая, в зависимости от причины происхождения неисправности:
1. Внешняя причина, которая связана с появлением некорректных значений входных параметров:
{п , п Ъ) * П , п (Г , (0)) ^ Пои1 ) * Пои1 (Г , (7)
2. Внутреннее происхождение дисфункции:
{П , )= Пои1 Ю(!, <®) ^ ) * П01ЛГ , (8)
На рис. 3 в упрощенном графическом виде схематично иллюстрируются различия во внутренних различиях дисфункций/1Х> иУ1(2).
Рис. 3. Формализованное представление дисфункций: а) по входной группе параметров; б) внутреннего происхождения
Важно иметь в виду, что непосредственное нарушение механизма функционирования имеет место лишь в случае внутренней дисфункции /2) (рис. 3б). Однако, при диагностировании оба случая имеют одинаковое значение, так как для ОП первичную роль играет факт проявления дисфункции ^ ф ^(0) по выходным параметрам пвых( ^ пвых( (^0)), тогда, как определение причины ю(<Л) этой дисфункции подлежит отысканию.
На основе вышесказанного может быть сформирована структура фрейма-роли функциональной задачи К, как показано в табл. 4. В этой таблице иллюстрируется связь корректно выполняемой функциональной задачи «Формирование 1-0» с дисфункциями-сателлитами «Формирование 1-1» и «Формирование 1-2».
Следует отметить, что выполнение и невыполнение функциональной задачи К следует рассматривать с учетом уровня разукрупнения связанных с этой задачей структурных элементов С= [с1,р2,...,сы}. Благодаря этому можно формально представить описание, например, следующего вида «блок А выполняет функцию К, которая состоит из подфункций /1 и / выполняемых ячейками А1 и А2», при этом для структурного уровня ячеек задачи / и / по тому же принципу представляются, как состоящие из подзадач /п,¡2, и так далее.
Таким образом, объединение Ф® и Ф(2) фреймов-экземпляров и фреймов-ролей позволяет выполнить описание неисправностей в предметных терминах и понятиях на основе определенных классов моделей РЭА (структурной, функциональной, параметрической и другие). Однако, при выполнении операций диагностирования для ОП имеют особое значение взаимозависимость и взаимовлияние электрических сигналов. Эти понятия не имеют явного представления в сущностном и ролевом аспектах ФМ, так как являются более абстрактными и не находят
прямого отражения в структурной, функциональной и параметрической моделях РЭА.
В отличие от некоторых видов ДМ, в которых взаимозависимость и взаимовлияние параметров (например, электрических сигналов) друг относительно друга должно быть указано явно, в ЯДМ такие виды зависимостей могут быть рассчитаны автоматически на основе анализа свойств РЭА и ее состояний, описанных в слотах-ролях и их сателлитах. Анализируя данные фрейма-роли «Формирование-1», приведенного в таблице 4, следует выделить ряд неявных связей между входными и выходными параметрами, и представить их в виде следующего выражения:
<n(V20),nf> О nf, <n(V2>f> О п« <nl0),n21),n!j0)> О nf.
(9)
Совокупность выражений (9) формально определяет взаимозависимость значений входных и выходных параметров, что позволяет представить эту зависимость в виде совокупности бинарных отношений:
п2 £> п4,
(10)
где 4 — символ наличия функциональной зависимости между параметрами.
С учетом предлагаемой структуры ЯДФМ необходимо установить соответствие между формальным представлением неисправности в виде кортежа (3), определяемым выборкой данных из объединения Ф® иФ(2), и предполагаемой причиной неисправности в виде текстового описания, составленного из предметных терминов. Провести
Фрейм-роль функциональной задачи и ее нарушения
Таблица 4
Имя фрейма Формирование 1-0 Формирование 1-1 Формирование 1-2
Функциональная задача (дисфункция) Формирование Нарушение формирования (не формируется) Нарушение формирования (не формируется)
Название функции (дисфункции) Формирование отраженного сигнала промежуточной частоты Нарушение формирования сигнала промежуточной частоты Нарушение формирования сигнала промежуточной частоты
Входные параметры П1«Гетеродин» 30В±5%;10,1МГц±2%; П2«Питание» 220 В 400 Гц; П3«Имп.» 0..5В строб П1«Гетеродин» 30В±5%; 0..10,1МГц П2«Питание» 220В 400 Гц; П3«Имп.» 0..5В строб П1«Гетеродин» 30В±5%;10,1МГц±2%; П2«Питание» 0..220В 400 Гц; П3«Имп.» 0..5В строб
Выходные сигналы П4 «Сигнал ПЧ1» 20В±5%; 2,3МГц±10% П4 «Сигнал ПЧ1» 20В±5%; 0..2,3МГц П4 «Сигнал ПЧ1» 0..1,5В; 2,3МГц±10%
такое соответствие в рамках ЯДФМ позволяют фреймы-сценарии, использование которых иллюстрируется в таблице 5 на примере фреймов Ф1(3), Ф2(3) и Ф3(3) для соответствующих неисправностей А-1, А-2, А-3.
На основе сопоставления набора диагностических признаков неисправностей А. и диагностических признаков, указанных в соответствующем слоте фрейма-сценария Ф.<3), может быть установлен факт принадлежности неисправностей табличному описанию, и в случае строгого соответствия может быть установлена вероятная причина ю. этих неисправностей, как показано в табл. 5.
Таким образом, формализованное представление ЯДМ на основе фреймов предполагает создание множеств фреймов трех типов: фреймов-сущностей Ф(1), фреймов-ролей Ф(2) и фреймов-сценариев Ф(3).
Это приводит к построению диагностической модели в виде ЯДФМ, которая формально определяется следующим образом:
ф = ф(1) иФ(2) иФ
(2),
•»(3)
(11)
Заключение
Использование явных диагностических фреймовых моделей, построенных на основе предлагаемого подхода, предоставляют возможность выполнения концептуального формализованного представления неисправностей РЭА с использованием предметных терминов естественного языка. Это позволяет использовать такое модельное представление в качестве основного информационного ресурса для построения естественно-языковых интерфейсов в системах информационной поддержки процесса диагностирования, что повышает уровень автоматизации выполняемых операций по диагностированию, а также способствует
сокращению времени, требуемого на восстановление сложных технических комплексов. Новизна предлагаемого подхода к концептуальной формализации неисправностей радиоэлектронной аппаратуры состоит в том, что он, в отличие от известных, позволяет напрямую оперировать терминами и понятиями предметной области технического диагностирования в конструкциях естественного языка, без необходимости их преобразования в математические нотации — элементы множеств, кортежи, матрицы и т.п., представляющие признаки неисправностей в информационных системах традиционной структуры.
Литература
1. Федорчук А. Е. Автоматизация технического обслуживания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики // Транспорт Российской Федерации. 2006. № 5 (5). С. 86-87.
2. Давыдов П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. М.: Радио и связь, 1988. 256 с.
3. Глущенко П. В. Концептуальная модель системы диагностирования сетевых объектов: показатели и выбор совокупности параметров при формировании // Управление экономическими системами: электронный научный журнал. 2011. № 35. URL: https:// uecs.ru/article/n/kontseptualnaya-model-sistemy-diagnostirovaniya-cetevyh-obektov-pokazateli-i-vybor-sovokupnosti-parametrov-pri-formirovanii (дата обращения: 05.06.2020).
4. Курчидис В. А., Анисимов О. В., Ященко А.В. Логико-предметный анализ схемных библиотечных элементов при автоматизированном проектировании радиоэлектронной аппаратуры // Вестник ЯВВУ ПВО. 2018. № 1(2). С. 150-158.
5. Болотова Л. С., Смольянинова В. А., Смирнов С. С. Концептуальное проектирование модели предметной области при помощи программных систем разработки баз знаний для интеллектуальных систем поддержки принятия решений. // Наукоемкие технологии. 2009. Т. 10. № 8. С. 23-28.
6. Кордюков Р.Ю., Игнатьев С. В., Тихонов В. Б., Смол-кин М.А. Средства автоматизации системы управления техни-
Фреймы-сценарии неисправностей Блока А
Таблица 5
Название Неисправность А-1 Неисправность А-2 Неисправность А-3
Место неисправности Лампа «Блок Вкл.» Лампа «Блок Вкл.» Лампа «Блок Вкл.»
Причина неисправности Блок А неисправен Перегорела лампа «Блок Вкл.» Отсутствует контакт на цоколе лампы «Блок Вкл.»
Связанные диагностические признаки Индикация 2 (дисф. 5), «Блок Вкл» =20 Ом±5%, Формирование-1 (дисф.1),... Индикация 2 (дисф. 5), сопротивление лампы «Блок Вкл»=о> Индикация 2 (дисф. 5), сопротивление лампы «Блок Вкл» =20 Ом±5%
Рекомендуемый способ устранения Замена ячейки Б1 Замена лампы Перепайка контакта 18
Проявление неисправности Демон идентификации портрета Демон идентификации портрета Демон идентификации портрета
ческим диагностированием радиоэлектронной аппаратуры // Программные продукты и системы. 2013. № 1. URL: http://swsys. ru/index.php?page=9&idjoumal=101 (дата обращения: 05.06.2020).
7. Курчидис В. А., Анисимов О. В., Ященко А.В., Пугачев А. Ю., Молоканова В. В. Многоаспектное концептуальное формализованное представление радиоэлектронной аппаратуры на основе семантических шаблонов // Материалы конференции Международной молодежной научно-практической конференции «Путь в науку. Радиотехнические системы» (Ярославль, 27 апреля 2018 г.). Ярославль: ЯрГУ, 2018. С. 152-159.
8. Приветень А. С., Пугачев А.Ю., Анисимов О. В., Курчидис В. А. Дескриптивная модель радиоэлектронной аппаратуры на основе онтологий для автоматизации информационной поддержки процесса диагностирования сложных технических комплексов // Вестник воздушно-космической обороны. 2017. № 2 (14). С. 113-119.
9. Czichos H. Technical Diagnostics: Principles, Methods, and Applications // NCSLI Measure. 2014. Vol. 9. p. 32-40.
10. Van de Riet R. P. Linguistic Instruments in Knowledge Engineering: Proceedings of the 1991 Workshop on Linguistic Instruments in Knowledge Engineering (Tilburg, The Netherlands, 17-18 January 1991). Amsterdam; New York. North-Holland; New York, N. Y Distributors for the U.S. and Canada, Elsevier Science Pub. Co.,1992. 298 p.
11. Пугачев А. Ю., Молоканова В. В. Формирование диагностических моделей радиоэлектронной аппаратуры комплексов средств автоматизации на основе электронных документов в си-
стемах автоматизированного проектирования // Вестник ЯВВУ ПВО. 2019. № 3(6). С. 159-168.
12. Пугачев А.Ю., Татаров М. О. Подход к автоматизации формирования содержимого интерактивных электронных технических руководств для изделий сложных технических комплексов // Вестник ЯВВУ ПВО. 2019. № 3(6). С. 169-179.
13 .БрусаковаИ. А., СербинА. А. Объектно-ориентированный подход в моделях аккумуляции знаний о бизнес-процессах // Сборник научных трудов научно-практической конференции по современным проблемам прикладной информатики. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та., 2008. С. 11-29.
14. Сошников Д. В. Архитектура распределенной фреймовой иерархии для построения интеллектуальных систем распределенного накопления и многократного использования знаний // Известия ЮФУ. Технические науки. 2003. № 2. С. 51-55.
15.ЖукМ.А. Механизмы аккумуляции знаний для оценки эффективности бизнес-процессов // Управление экономическими системами: электронный научный журнал. 2011. № 10(34). С. 60-69.
16. Ле Н. В. Интеллектуальная медицинская система дифференциальной диагностики на основе экспертных систем // Вестник СГТУ 2014. Т. 2. № 1. C. 167-179.
17. Евсеева И. В. Фреймовая организация комплексных единиц словообразовательной системы // Вестник ИГЛУ 2011. № 4 (16). С. 163-172.
18. Minsky M. A Framework for Representing Knowledge // ACM Digital Library. 1974. URL: https://dl.adm.org/doi/book/10.5555/889222 (дата обращения: 25.05.2020).
RADIO ELECTRONIC EQUIPMENT MALFUNCTION FORMALIZATION FOR COMPLICATED TECHNICAL COMPLEXES DIAGNOSTIC SYSTEMS
ALEXEY JU. PUGACHEV, KEYWORDS: technical diagnostics; diagnostic symptom of malfunc-
Yaroslavl, Russia, [email protected] tion; radio electronic equipment; conceptual formalization; explicit
diagnostic models; frames.
MAKSIM O. TATAROV,
Yaroslavl, Russia, [email protected]
ANATOLIJ A. MURASHOV,
Yaroslavl, Russia, [email protected]
ABSTRACT
Modern models of military equipment that are in the arsenal of the Russian Aerospace Forces are technical complexes and contain a significant amount of electronic equipment. The most critical operation in recovering failures is technical diagnostics, the implementation of which is aimed at determining the likely places and causes of malfunctions. Information support for technical diagnostics is currently organized on the basis of a paper set of operational documentation, the use of which is associated with significant unproductive time delays. At the same time, well-known automation systems for information support of technical diagnostics are focused on providing diagnostic information about failures in an "implicit" form, i.e. reflect information on the reference state of the equipment, and do not directly automate the procedure for determining the cause of a malfunction by its diagnostic features. The use of the diagnostic model, reflecting the interconnection of the signs and causes of malfunctions of electronic equipment, will increase the level of automation of information support for technical diagnostics by constructing an interactive diagnostic system with an interface that provides query input and response generation in natural language constructions. The aim of the work is to create a method for formalized conceptual presentation of faults in the form of an explicit diagnostic frame model, which acts as an information resource of the dialogue diagnostic system, which can significantly reduce the time required to determine the probable places and causes of malfunctions of electronic equipment of complex technical complexes and systems. The novelty of the proposed approach to the conceptual formalization of malfunctions of electronic equipment is that it allows you to directly operate on the terms and concepts of the subject area of technical diagnostics in natural language constructions, without the need for their transformation into mathematical notations, representing signs of malfunctions in information systems of a traditional structure. The presentation of faults, made on the basis of the proposed approach, can act as the main resource of the automated system of information support for technical diagnostics, functioning on the principle of "question-an-
swer" in a naturally similar language. The construction of an information interface that ensures the connection of the presented diagnostic model with the service personnel by means of requests and answers in a naturally-similar language, provides a significant reduction in the time of technical diagnostics, which reduces the overall recovery time of complex technical complexes and systems.
REFERENCES
1. Fedorchuk A. E. Automation of maintenance of railway automation and telemechanics devices. Transport Rossijskoj Federacii [Transport of the Russian Federation]. 2006. No. 5(5). Pp. 86-87. (In Rus)
2. Davydov P. S. Tehnicheskaja diagnostika radiojelektronnyh ustro-jstv i sistem [Technical diagnostics of electronic devices and systems]. Moscow: Radio I Svyaz', 1988. 256 p. (In Rus)
3. Glushhenko P. V. Conceptual model of the system for diagnosing network objects: indicators and the choice of a set of parameters when forming. Upravlenie jekonomicheskimi sistemami: jelektronnyj nauchnyjzhurnal [Management of economic systems: electronic scientific journal]. 2011. URL: https://uecs.ru/article/nXkontseptualnaya-model-sistemy-diagnostirovaniya-cetevyh-obektov-pokazateli-i-vybor-sovokupnosti-parametrov-pri-formirovanii (date of access: 05.06.2020). (In Rus)
4. Kurchidis V.A., Anisimov O. V., Jashhenko A. V. Logic-subject analysis of circuit library elements in the automated design of electronic equipment. Vestnik Jaroslavskogo vysshego voennogo uchilishha protivovozdushnoj oborony [Bulletin of the Yaroslavl Higher Military School of Air Defense]. 2018. No. 1(2). Pp. 150-158. (In Rus)
5. Bolotova L. S., Smol'janinova V.A., Smirnov S. S. Conceptual design of a domain model using software systems for developing knowledge bases for intelligent decision support systems. Naukoemkie tehnologii [Science Intensive Technologies]. 2009. Vol. 10. No. 8. Pp. 23-28. (In Rus)
6. Kordjukov R. Ju., Ignat'ev S.V., Tihonov V. B., Smolkin M. A. Au-
tomation tools for the control system for technical diagnostics of radio electronic equipment. Programmnye produkty i sistemy [Software and systems]. 2013. No. 1. URL: http://swsys.ru/index. php?page=9&id_journal=101 (date of access: 05.06.2020). (In Rus)
7. Kurchidis V.A., Anisimov O. V., Jashhenko A. V., Pugachev A. Ju., Molokanova V. V. Mnogoaspektnoe konceptual'noe formalizovan-noe predstavlenie radiojelektronnoj apparatury na osnove seman-ticheskih shablonov [Multidimensional conceptual formalized representation of electronic equipment based on semantic templates] Materialy konferentsii Mezhdunarodnoy molodezhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Put' v nauku. Radiotekhnicheskie sistemy" [Proc. of the International youth scientific and practical conference" The Way to science. Radio engineering systems", Yaroslavl, April 27, 2018]. Yaroslavl: Yaroslavl Demidov State University Publ., 2018. Pp. 152-159. (In Rus)
8. Priveten' A. S., Pugachev A. Ju., Anisimov O. V., Kurchidis V. A. Radio-electronic equipment descriptive model on the base of ontologies for informational support automation of complex technical systems diagnosis process. Vestnik vozdushno-kosmicheskoj oborony [Aerospace Defense Bulletin]. 2017. No. 2(14). Pp. 113-119. (In Rus)
9. Czichos H. Technical Diagnostics: Principles, Methods, and Applications. NCSLI Measure Handbook of Technical Diagnostics. Warsaw. 2014. Vol. 9. Pp. 32-40.
10. Van de Riet R. P. Linguistic Instruments in Knowledge Engineering: Proceedings of the 1991 Workshop on Linguistic Instruments in Knowledge Engineering. Elsevier Science Publishers, Tilburg, Netherlands. 1992. 298 p.
11. Pugachev A. Ju., Molokanova V. V. Formation of diagnostic models of electronic equipment of complexes of automation tools based on electronic documents in computer-aided design systems. Vestnik Jaroslavskogo vysshego voennogo uchilishha protivovozdushnoj oborony [Bulletin of the Yaroslavl Higher Military School of Air Defense]. 2019. No. 3(6). Pp. 159-168. (In Rus)
12. Pugachev A. Ju., Tatarov M. O. Interactive electronic technical manuals content forming for complicated technical complexes equipment. Vestnik Jaroslavskogo vysshego voennogo uchilishha
protivovozdushnoj oborony [Bulletin of the Yaroslavl Higher Military School of Air Defense]. 2019. No. 3(6). Pp. 169-179. (In Rus)
13. Brusakova I. A., Serbin A. A. Objektno-orientirovannyj podhod v modeljah akkumuljacii znanij o biznes-processah [Object-oriented approach in the models of accumulating knowledge about business processes]. Collection of scientific papers of the scientific-practical conference on modern problems of applied informatics. 2008. Vol. 9. Pp. 11-29. (In Rus)
14. Soshnikov D. V. Arhitektura raspredelennoj frejmovoj ierarhii dlja postroenija intellektual'nyh sistem raspredelennogo nakoplenija i mnogokratnogo ispol'zovanija znanij [Distributed frame hierarchy architecture for building intelligent systems of distributed accumulation and reuse of knowledge]. Bulletin of the South Ural Federal University. 2005. Vol. 2. Pp. 51-55. (In Rus)
15. Zhuk M. A. Mehanizmy akkumuljacii znanij dlja ocenki jeffek-tivnosti biznes-processov [Knowledge accumulation mechanisms for assessing the effectiveness of business processes]. Management Of Economic Systems: A Scientific Electronic Journal. 2011. No. 10(34). Pp. 60-69. (In Rus)
16. Le N. V. An intelligent medical differential diagnosis system based on expert systems. Vestnik Saratov State Technical University. 2014. Vol. 2. No. 1. Pp. 167-179. (In Rus)
17. Evseeva I. V. The frame organization of word-formation system's complex units. Bulletin of Irkutsk State Linguistic University. 2011. No. 4 (16). Pp. 163-172. (In Rus)
18. Minsky M. A Framework for Representing Knowledge. ACM Digital Library. 1974. URL: https://dl.adm.org/doi/book/10.5555/889222 (date of access: 25.05.2020).
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Pugachev A.Ju., PhD, Deputy Head of the Research Division of the Yaroslavl Higher Military Institute of Anti-Air Defense; Tatarov M.O., PhD, Docent, Head of the Research Division of the Yaroslavl Higher Military Institute of Anti-Air Defense; Murashov A.A., PhD, Docent, Professor of the Yaroslavl Higher Military Institute of Anti-Air Defense.
For citation: Pugachev A.Ju., Tatarov M.O., Murashov A.A. Radio electronic equipment malfunction formalization for Complicated Technical Complexes Diagnostic Systems. H&ES Research. 2020. Vol. 12. No. 4. Pp. 44-55. doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-4-44-55 (In Rus)
