CC BY
8
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ХРОНОМЕТРАЖА МАССОВЫХ СПОРТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
И.Н. ПЕНДЗЮХ, А.В. КУБЕЕВ, В.Л. АЛЯКРИТСКИЙ, А.А. ОГАНЕСЯН, А.В. ЛУКИН, С.В. НЕЧАЕВ, ФГБУ ФНЦ ВНИИФК, г. Москва
Аннотация
В статье рассмотрены вопросы испытаний на работоспособность автоматизированных систем хронометража (АСХ) и их элементов, предназначенных для применения в спортивных соревнованиях и массовых спортивных мероприятиях (МСМ). Представлена методика испытаний элементов АСХ, разработанная с использованием аппарата теории вероятностей и математической статистики. Отражены особенности режимов функционирования АСХ, влияния устойчивой и надежной работы элементов системы на достоверность и корректность регистрации результатов преодоления дистанции участниками МСМ. Приведены результаты тестирования работоспособности электронных чипов АС «Хронометраж МСМ» методом последовательных испытаний, реализованных в процессе опытной эксплуатации и приемочных испытаний. Продемонстрирована схема соотнесения электронных чипов к категориям работоспособности или неработоспособности в зависимости от исхода испытаний.
Ключевые слова: вид спорта, массовые спортивные мероприятия, автоматизированная система хронометража,
электронный чип, испытания на работоспособность.
METHODOLOGY FOR TESTING OF AUTOMATED TIMING SYSTEMS FOR MASS SPORTS EVENTS
I.N. PENDZYUKH, A.V. KUBEEV, V.L. ALYAKRITSKIY, A.A. OGANESYAN, A.V. LUKIN, S.V. NECHAEV, VNIIFK, Moscow city
Abstract_
The article deals with the issues of performance testing of automated timing systems (ATS) and their elements intended for use in sports competitions and mass sports events (MSE). A technique for testing ACX elements developed using the apparatus of probability theory and mathematical statistics is presented. The features of the modes of functioning of the ATS, the influence of stable and reliable operation of the elements of the system on the reliability and correctness of registration of the results of overcoming the distance by MSE participants are reflected. The results of testing the operability of electronic chips of AS "Chronometrazh MSE" by the method of successive tests implemented in the course of trial operation and acceptance tests are presented. A scheme for correlating the EC to the categories of operability or inoperability, depending
on the outcome of the tests, is demonstrated.
Keywords: sport, mass sports events, automated timing system, electronic chip, performance tests.
Введение
Современный уровень развития и внедрения автоматизированных систем хронометража (АСХ) в соревновательную и тренировочную деятельности спортсменов -любителей и профессионалов - претерпевает качественные изменения. В настоящее время в массовых спортивных мероприятиях (МСМ) широкое распространение получили системы хронометража с использованием элект-
ронных чипов (ЭЧ) - электронных идентификаторов [1-6]. К особенностям существующих АСХ относится сравнительно высокая насыщенность компонентами, обладающими заданной технической надежностью и оказывающими значительное влияние на процесс регистрации и автоматизированной обработки результатов соревнований любительского и профессионального уровней [1-8].
С*)
Один из существующих образцов АСХ для регистрации процессов и результатов хронометрирования и секретарского сопровождения МСМ - АСХ «Хронометраж МСМ», разработанный ФГБУ ФНЦ ВНИИФК. Представляет собой компактную мобильную систему, в состав которой входят четыре приемника-активатора с антенными модулями и 200 ЭЧ. Конструкция ЭЧ включает незаменяемый источник питания, размещенный в герметичном корпусе. Пример закрепления и размещения ЭЧ на ноге спортсмена представлен на фото 1.
В процессе использования ЭЧ для регистрации результатов уровень заряда источника питания снижается. При достижении определенной величины заряда источника питания (20%) работоспособность ЭЧ может быть снижена до уровня, не позволяющего достоверно и надежно зафиксировать время пересечения финишного контура участником МСМ. Кроме того, на устойчивость работы АСХ может оказывать существенное влияние надежность функционирования внутренних и внешних источников питания, антенных приемников, контуров, других составляющих АСХ «Хронометраж».
Актуальной представляется задача оценки текущего состояния работоспособности компонентов и составных частей системы хронометража с целью надежной и достоверной регистрации и автоматизированной обработки результатов соревнований участников МСМ [2-4]. Цель исследования заключалась в разработке методики, позволяющей: 1) оценивать текущее функциональное состояние подсистем АСХ на основе последовательных испытаний; 2) принимать обоснованное решение о степени работоспособности элементов.
Организация исследования
В качестве объекта исследования определяется параметр, отражающий состояние системы как работоспособное или неработоспособное. В данном случае под параметром принимается уровень заряда внутреннего источника питания ЭЧ. При устойчивых показателях уровня заряда выше 20% ЭЧ оценивается как работоспособный, соответственно, ниже 20% - неработоспособный. В случае непредвиденного снижения уровня заряда ЭЧ ниже 20% возможна потеря информации о времени пересечения контура ЭЧ и, следовательно, отсутствие регистрации времени преодоления дистанции участником МСМ. Ниже представлена постановка задачи в общем виде в терминах объекта исследования как «системы». Расчеты по представленной модели приведены с использованием экспериментальных данных, зарегистрированных при измерении уровня заряда ЭЧ как элемента АСХ.
Пусть «х» - случайная величина, характеризующая состояние АСХ или ее элементов (далее «АСХ», «элементы АСХ» будут именоваться термином «система») и принимающая значение «1» в случае отказа и «0» - в случае работоспособного состояния; p - неизвестная вероятность реализации события отказа {p\х = 1}. По сути, параметр «p» характеризует вероятность сбоев или отказов в процессе проведения испытаний.
Необходимо проверить гипотезу (нулевую гипотезу Щ) о том, что вероятность «р» неработоспособного состояния
Фото 1.
Размещение электронного чипа на ноге спортсмена
окажется ниже задаваемой потребителем вероятности «р'»: при р < р' испытываемая система принимается как работоспособная, при р > р' - как неработоспособная.
Допустимые риски принятия ошибочных решений определяются из двух следующих предпосылок.
1. Принять решение о неработоспособности испытываемой системы с вероятностью не более а в случае, если р < р0 - объективно система работоспособна (ошибка первого рода). В данном случае потребуется доработка или замена работоспособной системы. Вероятность возникновения данной ситуации оценивается, исходя из опыта и анализа текущей ситуации, и задается априорно. Например, а < 0,02 - вероятность риска ошибки (события, при котором р < р0) составляет не более двух случаев из 100 -в 100 испытаниях допустимо ошибочно отвергнуть нулевую гипотезу, когда она верна (из 100 испытаний не более чем в двух случаях допустимо ошибочно оценить работоспособную систему как неработоспособную).
2. Принять испытываемую систему как работоспособную с вероятностью не более Ь в случае p > p1 - объективно система не работоспособна, но принимается решение о ее приеме в эксплуатацию (ошибка второго рода). В данном случае потери состоят во временных и материальных затратах на компенсацию возможных сбоев системы и не полном выполнении своих функций. Вероятность возникновения данной ситуации также оценивается, исходя из опыта и анализа текущей ситуации и задается априорно. Например, Ь < 0,03 - вероятность риска сбоев системы (события, при котором p > p1) при регистрации результатов МСМ - не более трех случаев из 100 - из 100 испытаний всего количества элементов лишь в трех случаях система работоспособна с вероятностью более р1, однако ошибочно оценивается как работоспособная в целом, р0 и р1 - соответственно риски ошибок а и Ь.
Следует обратить внимание на значения вероятностей а и Ь - чем более значима цена ошибки, тем меньшие значения следует назначать вероятностям риска а и Ь. В первом случае при ошибочном принятии решения работоспособная система будет изъята из эксплуатации; во втором случае может произойти потеря фиксации результатов преодоления дистанции.
В рамках изложенных формулировок оценка системы в качестве работоспособной рассматривается как ошибка при выполнении неравенства p > p1 и неработоспособной - при выполнении неравенства р < р0.
Математическая модель реализации процесса подтверждения соответствия системы требуемому качеству может быть сформулирована в следующем виде [9, 10]:
,!" Ро
ln
П_ =-
b 1 - a
ln
1 - Pl
ln« Po
ln
ln
1 - Po
1 - Pl 1 - b
ln
Po ln
ln
1 - Po
(l)
Б_ =-
1 - Pl
1 - Po 1 - Pl
ln^ Po
ln
1 - Po 1 - Pl
Po
ln
1 - Po 1 - Pl
(2)
где:
Пт - значение числа, характеризующего предельное значение условия приемки системы как работоспособной на т-м шаге испытаний;
Бт - значение числа, характеризующего предельное значение условия браковки системы как неработоспособной на т-м шаге испытаний;
а, Ь, р0, р1 - вероятности, смысловое содержание которых изложено выше.
Суммарное количество отказов системы определяется из выражения: т
Н =Ух., (3)
т г '
1=1
где:
X - количественное значение наличия: х = 1, или отсутствия: х = 0 отказа на данном шаге испытаний.
Условия принятия решения о продолжении или завершении испытаний определяются соотношением: Пт < Нт < Бт при выполнении ограничений:
- если Пт < Нт < Бт - испытания продолжаются;
- если Нт > Бт - система бракуется и испытания завершаются;
- если Нт < Пт - система принимается и испытания завершаются.
В процессе опытной эксплуатации АС «Хронометраж» наиболее критичным элементом, непосредственно влияющим на результат участника МСМ, являлся электронный чип, отказ которого не позволял зафиксировать время финиша спортсмена и в дальнейшем обработать данные в автоматизированном режиме. При этом, в виду двукратного дублирования финиша участником МСМ с использованием видеорегистратора, видеокамеры и записей ручного хронометража времени финиша, показатели времени вносятся в протокол в ручном режиме. Используя рассмотренную выше модель оценки работоспособности системы, на стадии опытной эксплуатации оценивалась надежность срабатывания ЭЧ в условиях специфики проведения МСМ. Испытания проводились путем последовательного многократного замера ёмкости источника питания дистанционным методом с использованием контуров петель-активаторов (рис. 1).
Данный способ регистрации замера, по сути, соответствует схеме и способу регистрации факта пересечения контура участником МСМ с закрепленным ЭЧ.
Состояние
Петля
□ Автообновление
Мощность GPS
Координаты
Аккумулятор
Связь с интернетом
Маяки (в памяти/отправлено):
Ошибки
включена 22491% включен нет, нет.
100%, заряжается ethernet 118/118 Code: 0
Отсечки времени
ID Чип Номер
118 600000000009 180
600000000009 180
116 600000000009 180
600000000009 180
114 600000000009 180
600000000009 180
112 600000000009 180
600000000009 180
110 600000000009 180
600000000009 180
□ Автообновление
Время
21:21:49.99 27.09.2022 г. 21:21:47.0 27.09.2022 г.
21:21:43.24 27.09.2022 г.
21:21:39.79 27.09.2022 г.
21:21:35.56 27.09.2022 г.
21:21:32.43 27.09.2022 г. 21:21:24.57 27.09.2022 г. 21:21:20.15 27.09.2022 г. 21:21:13.49 27.09.2022 г. 21:21:07.80 27.09.2022 г.
Заряд
8% 8% 6% 8% 8% 8% 6% 6% 6% 6%
Статус ERR
ERR
ERR
ERR
ERR
ERR
ERR
ERR
ERR
ERR
Состояние
Петля
[ZI Автообновление
Мощность GPS
Координаты
Аккумулятор
Связь с интернетом
Маяки (в памяти/отправлено):
Ошибки
включена 22138% включен нет, нет.
81%, заряжается ethernet 15/0 Code: 0
Отсечки времени
0 Автообновление
ID Чип Номер Время Заряд Статус
15 600000000065 180 19:42:09.64 11.10.2022 г. 37% OK
14 600000000065 180 19:42:03.79 11.10.2022 г. 37% OK
13 600000000065 180 19:42:00.57 11.10.2022 г. 37% OK
12 600000000065 180 19:41:55.26 11.10.2022 г. 35% OK
11 600000000065 180 19:41:51.70 11.10.2022 г. 33% OK
10 600000000065 180 19:41:47.23 11.10.2022 г. 33% OK
9 600000000065 180 19:41:41.50 11.10.2022 г. 26% OK
8 600000000065 180 19:41:38.20 11.10.2022 г. 2% ERR
7 600000000024 180 19:41:30.90 11.10.2022 г. 60% OK
6 600000000024 180 19:41:26.80 11.10.2022 г. 60% OK
5 600000000024 180 19:41:06.66 11.10.2022 г. 57% OK
4 600000000024 180 19:40:56.90 11.10.2022 г. 57% OK
3 600000000024 180 19:40:50.18 11.10.2022 г. 57% OK
2 600000000024 180 19:40:46.63 11.10.2022 г. 55% OK
1 600000000024 180 19:40:42.98 11.10.2022 г. 55% OK
Рис. 1. Пример испытаний электронных чипов при определении ёмкости источников питания
ЭЧ размещался над контуром на расстоянии 10-20 см, фиксировался факт считывания номера ЭЧ и емкость источника питания. Результаты измерения каждого ЭЧ заносились в таблицу. Для каждого ЭЧ из экспериментальной выборки проводилось от 5 до 50 испытаний в зависимости от результатов замеров ёмкости источников питания.
Исходные данные и условия сформулированы при следующих условиях и допущениях.
Вероятность безотказного функционирования АСХ принималась > 0,9. С вероятностью а < 0,02 допустимо принятие решения о том, что ЭЧ будет функционировать без сбоев, хотя вероятность его работоспособности < 0,8. С вероятностью Ь < 0,03 также допустимо принятие решения о том, что ЭЧ откажет, хотя его работоспособность больше или равна 0,95. Приведенные значения вероятностей обусловлены спецификой источника питания ЭЧ. Критическое снижение ёмкости может произойти по объективным причинам (разряд батареи) - при этом первое контрольное измерение может показать достаточное
напряжение внутренней батареи - ошибка принятия решения о работоспособности ЭЧ при его фактической непригодности. Также возможен факт случайного «выброса» пониженной ёмкости полностью исправной батареи (низкая температура окружающей среды, помеха во взаимодействии с измерительным контуром и т.п.) - контрольное измерение ёмкости может свидетельствовать о непригодности батареи - ошибка принятия решения об отказе ЭЧ при его полной работоспособности.
Таким образом, исходные данные для определения работоспособности ЭЧ, вычисляемые по зависимостям (1) - (3), определяются в следующем виде:
р0 = 1-0,95 = 0,05; р1 = 1-0,8 = 0,2; а = 0,02; Ь = 0,03.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты численного моделирования испытания ЭЧ на работоспособность в процессе опытной эксплуатации АСХ представлены на рис. 2.
Граница приёмки
- Граница отказа
ЭЧ № 1 -О- ЭЧ № 2 —А— ЭЧ № 3 —X— ЭЧ № 4 —□— ЭЧ № 5
15 20 25 30
Количество испытаний
Рис. 2. Результаты численного моделирования работоспособности электронных чипов
Верхняя граница Бт (2) представляет условие браковки ЭЧ, нижняя граница Пт (1) - полной работоспособности ЭЧ. Область между верхней и нижней границами соответствует условиям, при которых испытания ЭЧ необходимо продолжить.
Представленные зависимости характеризуют типичные результаты испытаний работоспособности ЭЧ. Полностью работоспособные ЭЧ обладают видом кривой, принадлежащей ЭЧ № 1. После 38-го испытания ЭЧ оценивается в качестве работоспособного с заданным риском отказа - наличие двух случаев снижения ёмкости источника питания ниже заданного уровня на 10-м и 20-м измерениях предполагается случайным.
Кривая, построенная по результатам испытаний ЭЧ № 2, представляет собой категорию ЭЧ, нуждающихся в проведении дальнейших испытаний - снижения ёмкости источника питания ниже заданного уровня зафиксированы на 4-м, 11-м, 20-м, 34-м, 42-м шагах испытаний. Демонстрация ЭЧ с низкой или неприемлемой работоспособностью представлена кривой ЭЧ № 3, неработоспособное состояние с заданной степенью вероятности фиксируется на 19-м испытании. В процессе проведения испытаний ЭЧ № 4 не зафиксировано ни одного отказа, после 20-го испытания ЭЧ оценивается полностью работоспособным. Последовательные отказы на трех испытани-
ях ЭЧ № 5 относят ЭЧ в категорию неработоспособного.
Заключение
Представленная методика проверки качества состав- плуатации. Например, в случае превышения заданного ных элементов системы АСХ может быть использована количества отказов одного из элементов может быть для оценки функционального состояния других состав- принято решение о его замене, доработке или усовер-ных элементов АСХ или АСХ в целом в процессе экс- шенствовании, или же о замене АСХ в целом.
С*)
Литература
1. Марафон-электро. - URL: http://www.marathon-e. ru/index.php?page=home (дата обращения: 10.10. 2022).
2. Электронный хронометраж и результаты. Точность, качество, надежность. - URL: https://services. russiarunning.com/elektronnyy-hronometrazh (дата обращения: 10.10.2022).
3. Система спортивного хронометража - взгляд изнутри. - URL: https://habr.com/ru/post/366249/ (дата обращения: 10.10.2022).
4. Точный и надежный хронометраж вашего старта.-URL: https://newrunners.ru/chrono/ (дата обращения: 10.10.2022).
5. Электронный хронометраж для чайников. - URL: https://runandroll.ru/l/timing1.html (дата обращения: 10.10.2022).
6. Системы хронометража для легкой атлетики. - URL: https://timing.ru/sport/legkaya-atletika/ (дата обращения: 10.10.2022).
7. A Buyer's Guide to Sports Timing for Speed. - URL: https://simplifaster.com/articles/buyers-guide-sports-timing/ (дата обращения: 10.10.2022).
8. ProChip System. - URL: https://www.mylaps. com/timing-solutions-active/prochip/ (дата обращения: 10.10.2022).
9. Вентцель, Е.С., Овчаров, Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука, 1988. - 480 с. (ISBN 5-02-013748-0).
10. Кобзарь, А.И. Прикладная математическая статистика: для инженеров и науч. работников. - Москва, Физ-матлит. - М.: Московская типография, 2006. - 813 с. (ISBN 5-9221-0707-0).
References
1. Marathon-electro, URL: http://www.marathon-e.ru/ index.php?page=home (date of access: 10.10.2022).
2. Electronic timing and results. Accuracy, quality, reliability, URL: https://services.russiarunning.com/elektron-nyy-chronometrazh (date of access: 10.10.2022).
3. Sports timing system a look from the inside, URL: https: //habr.com/ru/post/366249/ (date of access: 10.10.2022).
4. Accurate and reliable timing of your start, URL: https://newrunners.ru/chrono/ (date of access: 10.10.2022).
5. Electronic timing for dummies, URL: https://runan-droll.ru/l/timing1.html (accessed 10.10.2022).
6. Timing systems for athletics, URL: https://timing.ru/ sport/legkaya-atletika/ (date of access: 10.10.2022).
7. A Buyer's Guide to Sports Timing for Speed, URL: https://simplifaster.com/articles/buyers-guide-sports-timing/ (accessed 10/10/2022).
8. ProChip System, URL: https://www.mylaps. com/timing-solutions-active/prochip/ (accessed 10/10/ 2022).
9. Ventsel, E.S. and Ovcharov, L.A. (1988), Probability theory and its engineering applications, M.: Nauka, 1988, 480 p. (ISBN 5-02-013748-0).
10. Kobzar, A.I. (2006), Applied mathematical statistics: for engineers and scientists workers, Moscow, Fizmatlit. M.: Moscow Printing House, 2006, 813 p. (ISBN 5-9221-0707-0).
