CC BY
47
38
Вестник ХНАДУ, вып. 70, 2015
УДК 681.3
МОДУЛЬНА СТРУКТУРА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ СИСТЕМИ БУДІВЕЛЬНИХ Й ДОРОЖНІХ МАШИН
О.В. Єфименко, к.т.н., доц., Т.В. Плугіна, к.т.н., доц.,
Харківський національний автомобільно-дорожній університет
Анотація. Наведено результати розробки модульної структури інтелектуальної системи керування будівельними і дорожніми машинами.
Ключові слова: модульний принцип, системи керування БДМ, інтелектуальна система керування.
МОДУЛЬНАЯ СТРУКТУРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН
А.В. Ефименко, К.Т.Н., доц., Т.В. Плугина, к.т.н., доц.,
Харковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Приведены результаты разработки модульной структуры интеллектуальной системы управления строительными и дорожными машинами.
Ключевые слова: модульный принцип, системы управления СДМ, интеллектуальная система управления
THE MODULAR STRUCTURE OF THE HIGHWAY BUILDING MACHINES INTELLECTUAL SYSTEM
A. Yefimenko, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), T. Pluhina, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The results of development of the modular structure of the intellectual road-building machinery control system are given.
Key words: design, technological process, virtual laboratory
Вступ
Зараз розвивається більш ускладнена структура системи інтелектуалізації будівельно-дорожніх машин (БДМ). Основними підсистемами цієї структури є: підсистема високо-швидкісних комп’ютерних пристроїв; підсистема інформаційних високоточних сенсорів; підсистема математичних моделей оптиміза-ції параметрів та режимів роботи машин. Кожна з цих підсистем характеризується набором програмно-технічного забезпечення зі своїми вимогами щодо функціонування та експлуатації.
Концентрація будівельно-дорожніх робіт вимагає застосування високопродуктивної техніки. З огляду на вимоги щодо габаритів цих машин, екстенсивні шляхи їхнього вдосконалювання тільки за рахунок підвищення потужності приводів та міцності конструкцій не можуть забезпечити істотного зростання показників ефективності.
Одним з ефективних шляхів удосконалювання БДМ є впровадження мехатронних принципів проектування [2, 3], що вимагає рішення актуальної наукової задачі створення теорії робочих процесів БДМ як мехатронних
систем.
Вестник ХНАДУ, вып. 70, 2015
39
Аналіз публікацій
Розвиток систем керування БДМ обумовлено збільшенням кількості датчиків, модернізації й ускладнення стандартних алгоритмів керування складними робочими операціями БДМ [1]. Спостерігається інтеграція алгоритмічних методів керування складними об’єктами й методів штучного інтелекту для завдань з невизначеністю вихідної інформації [2]. До таких завдань можна віднести: оцінку ситуації; прогноз поведінки об’єкта в штатному режимі та розвитку аварійних ситуацій; синтез і оцінку можливих дій оператора й вибір найкращих [3]. Відмінною рисою інтелектуальних систем є здатність до планування поведінки, адаптації й навчання [4]. Розвиваються та впроваджуються мережоцентричні технології в ефективному супроводі дорожньо-будівельної техніки [5].
Мета і постановка завдання
Метою роботи є підвищення ефективності управління будівельно-дорожніми машинами за рахунок проектування та розробки інтелектуальної системи управління БДМ.
Для досягнення поставленої мети необхідно проаналізувати типову структуру інтелектуальної системи управління БДМ, визначити основні модулі, проаналізувати існуючі інструментальні засоби реалізації та висунути вимоги, щодо їх функціонування.
Основний матеріал
Структура інтелектуальної системи БДМ у найбільш класичному вигляді має три рівні. Нижній рівень введення/виведеня складається з датчиків, виконавчих механізмів. Середній рівень складається з контролерів. їхнє завдання - обробити отримані дані, видати керувальний вплив, передати дані на верхній рівень. На верхньому рівні розташовані сервери баз даних і операторських станцій, завдання яких надати людино-машинний інтерфейс операторові й здійснювати обмін із сервером і програмувальними логічними контролерами (ПЛК). Структура інтелектуальної системи БДМ представлена на рис. 1.
Мехатронний підхід припускає високий ступінь інтеграції механічної, електричної, гідравлічної, електронної й інформаційної підсистем у конструкції БДМ [1]. Таким чином,
машина повинна представлятися як сукупність взаємозалежних виконавчих механізмів та базових корпусних елементів конструкції, що змінюють своє положення в просторі під дією приводів її силових систем у результаті комп’ютерного керування. Принципи керування повинні бути закладені в систему інтелекту БДМ [2] - програмне забезпечення бортового комп’ютера для рішення завдання багатокритеріальної оптимізації робочого циклу за критеріями продуктивності, енергоспоживання й надійності з урахуванням обмежувальним факторів, а також прогнозування відмов елементів на основі поточних даних про параметри, що характеризують стан елементів машини й властивості зовнішнього середовища, завдань, одержуваних від оператора й зовнішньої керувальної системи.
Рис. 1. Структура інтелектуальної системи БДМ
Система інтелекту БДМ виконує наступні завдання: адаптивна оптимізація робочих процесів підсистем БДМ; оцінка працездатності виконавчих механізмів - аналіз відповідності технічній характеристиці показників виконуваних операцій і технічного стану елементів конструкції машини; прогнозування залишкового ресурсу елементів конструкції БДМ на підставі аналізу навантажень за весь час її функціонування й історії замін відповідних вузлів; збір даних про параметри
40
Вестник ХНАДУ, вып. 70, 2015
робочих процесів і відмови елементів конструкції БДМ; узгодження робочого процесу машини з функціонуванням іншого встаткування комплексу машин; забезпечення безпеки експлуатації машини.
На основі сформульованих завдань із урахуванням особливостей робочого процесу БДМ, до системи інтелекту машини пред’являються наступні вимоги:
- відкритість - можливість доповнення й коригування алгоритмів роботи системи інтелекту відповідно до розв’язуваних завдань;
- багатозадачність - паралельне виконання алгоритмів рішення декількох завдань;
- стійкість до конфліктів завдань - корегтне відпрацьовування суперечливих рішень різних завдань системи інтелекту;
- стійкість до відмов датчиків - максимально можливе збереження працездатності машини при виході з ладу інтегрованих елементів;
- самонавчання й адаптивність - коректування дій системи інтелекту з урахуванням історії роботи БДМ в умовах мінливого зовнішнього середовища;
- модульна структура - алгоритм функціонування системи інтелекту повинен складатися з максимально незалежних функціонально завершених модулів, кожний з яких відповідає окремому розв’язуваному завданню;
- робота в реальному часі - взаємодія з керованими силовими системами машини, своєчасна подача команд керування;
- можливість вибору критеріїв і коефіцієнтів їхньої вагомості при оптимізації робочих процесів БДМ.
На рис. 1 наведена структурна схема інтелектуальної системи БДМ. До складу системи входять наступні модулі: модуль узгодження
- формує вектор вагомості критеріїв оптимізації робочих процесів; модулі оптимізації -для самонавчання й оцінки ефективності керування робочими процесами; модуль контролю відмов датчиків - для безпосередньої й непрямої оцінки працездатного стану інтегрованих в елементи конструкції машини датчиків; модуль оцінки працездатності й безпеки - для фіксування відмов елементів конструкції машини й вимкнення машини в небезпечних і аварійних режимах роботи; модуль прогнозування ресурсу - для оцінки залишкового ресурсу елементів конструкції машини з метою прогнозування їхніх планових замін.
Сучасні засоби технічних комунікацій пов-ною мірою дозволяють реалізувати модульний принцип системи управління, але виникає задача вибору оптимальної кількості й переліку діагностичних параметрів, необхідних для обробки й аналізу у віддаленому технічному центрі.
Критеріями, що визначають необхідність і можливість використання того або іншого структурного, регулювального або діагностичного параметра при безперервному моніторингу технічного стану вилученого об’єкта, можуть бути наступні фактори:
- інтегральність параметрів (продуктивність машини, потужність двигуна, витрата палива) вимагає наступного поглибленого пошуку несправностей, але дозволяють оперативно реагувати на можливу зміну показників працездатності машин і зменшують кількість переданої інформації;
- наявність систем самодіагностики будівельно-дорожніх машин;
- вплив контрольованих параметрів на інтенсивне зношування елементів;
- можливість прогнозування на основі одержуваної інформації;
- необхідність встановлення додаткових датчиків, що не входять до штатної комплектації;
- вартість технічного контролю обраних параметрів.
Для визначення оптимального складу діагностичної інформації на підставі певних пріоритетів (техніко-економічні показники, ресурсні показники, показники безпеки, можливості комунікаційної системи й т.д.) створюється матриця діагностичних параметрів.
Діагностична матриця являє собою логічну модель, що описує зв’язки між діагностичними параметрами і можливими несправностями об’єкта [5]. Найбільш важливою величиною, що характеризує процес діагностики будь-якого об’єкта, є інформативність діагностичних параметрів, що визначається чутливістю цих параметрів до структурних змін в об’єкті й однозначністю в постановці діагнозу. Постановка діагнозу істотно ускладнюється, якщо доводиться користуватися декількома діагностичними параметрами. Тоді необхідно з множини всіх можливих станів
Вестник ХНАДУ, вып. 70, 2015
41
об’єкта виділити одне, найбільш імовірне. Тому завданням діагнозу за багатьма параметрами є розкриття множинних зв’язків між структурними й відповідними їм діагностичними параметрами. При складанні матриці прагнуть застосовувати мінімальне число діагностичних параметрів. Для цього використовують тільки найбільш чутливі й інформативні параметри. У той же час число діагностичних параметрів повинне бути достатнім для одержання достовірного й однозначного діагнозу. Основним недоліком таких діагностичних матриць є відсутність елемента прогнозування технічного стану об’єкта діагностики в процесі його експлуатації. Це пояснюється тим, що логічна двозначна модель дозволяє лише визначити справний або несправний об’єкт. Фізична сутність рішення даного завдання полягає у виключенні несправностей, несумісних з існуванням певної комбінації вимірюваних діагностичних параметрів. Процес виявлення несправності можна розглядати як зниження ступеня невизначеності технічного стану об’єкта, що діагностується.
Висновки
Досвід розробки теоретичних основ і практичної реалізації інтелектуальних систем БДМ свідчить про їх значну перспективність для застосування в галузі дорожніх робіт.
Проектування інтелектуальних систем підтримки оператора БДМ носить ітеративний характер і базується на проектуванні окремих модулів, підсистем і їхньої інтеграції в єдине ціле на основі штучного інтелекту й використання сучасних інструментальних засобів створення інтелектуальних додатків.
Література
1. Шабаев О.Е. Принципы интеллектуализа-
ции рабочих процессов мехатронной горной выемочной машины /О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. - 2010. -№1. -
С.68-77.
2. Амелин В.М. Электронные системы управления и контроля строительных и дорожных машин / В.М. Амелин, Ю.М. Иньков, В.И. Марсов. - М.: Ин-текст, 1998. - 134 с.
3. Плугина Т.В. Проектирование интеллекту-
альных операторских станций распределенных систем управления / Т.В. Плугина, Д.О. Маркозов // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2013. - Вып. 63. - С. 93-97.
4. Хмара Л.А. Сетецентрические технологии
в эффективном сопровождении дорожно-строительной техники / Л.А. Хмара,
С.И. Кононов // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2012. - Вып. 57. - С. 36-42.
5. Плугіна Т.В. Задача інтелектуалізації су-
часних будівельно-дорожніх машин / Т.В. Плугіна, ВО. Стоцький // Технология приборостроения: спец. вып. - 2014. - С. 40-43.
Рецензент: О.Я. Ніконов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 6 липня 2015 р.
