CC BY
24
УДК 681.518.5
IIJU ЮЬН/1Ь ДИА1 HOC I ИЧЬСКИХ МОДЬЛЬЙ СЛОЖНЫХ I ЬХНИЧкСКИХ СИС I кМ (НА IIP/IMkPk IIHkBMAI ИЧкСКОЙ СИС I fcMbl JJIbК I РОИОкЗДА)
А. В. Щелсаиов ООО «НПЦ «Динамика», г. Омск, Россия
Лннстсция - В статье рассмотрен способ построения диагностической модели технически сложного объекта диагностики на примере пневматической системы электропоезда. Диагностическая модель строится путем формализации вербального описания объекта с применением нечеткой логики.
Ключевые слова: диагностическая модель, экспертная система, нечеткая логика.
I. ВВЕДЕНИЕ
Современная наука все больше внимания уделяет проблемам диагностики сложных технических объектов. В классической теории диагностика выгляди: следующим образом: на вход диагностической системы поступают входные данные, формируемые на основе конечного числа измеряемых параметров объекта, далее экспертная система (ЭС). на основе заложенных алгоритмов диагностики и базы знании, формирует вектор диагностических признаксв. на основе значений н состояний которых формируется конечный диагноз
Одним из главных вопросов разработки ЭС является выбэр диагностической модели и методов классификации дефектов Зачастую принятие решений по диагнозу связано со сложностью объекта, распределенностью подсистем, неопределенностью текущего состояния непепнотой входных параметров, невозможностью применения тестового диагностирования. Поэтому при разработке модели вэзникает проблема выбора адекватных методов формального описания объекта, позволяющих отражать его структуру, с точке зрения диагностики, принимая во внимание вербальное (качественное) описание критериев постановки диагноза [1].
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Предложить способ построения диагностической модели технически сложного объекта диагностирования на основе априорных знании с структуре объекта диагностирования в виде вероального описания и классах неисправностей В Еачестве примера технически сложного объекта диагностирования принять пневматическую систему электропоезда.
ш. Теория
Как показали исследования, существующие методики диагностирования пнезматнческой системы электропоезда обладают недостаточной достоверностью, полнотой и глубиной диагностирования [2-4]. Наибольшей полнотой диагностирования обладает метсдика на основе инструкции по эксплуатации гормозоЕ подвижного состава железных дорог [bj Щ-ЦВ-ЦЛ-ВНИИЖГ/'^//, однако даже она не способна ооеспечить достаточную глубину диагностировании, т.е. распознавать неисправности с точностью до узла [б]
1 аким образом, встает задача разраооткн диагностической модели, обеспечивающей достаточную глубину и полноту диагностирования с соблюдением всех требуемых инструкцией проверок и норм.
Для построения диагностической модели определим для каждой из требуемых проверок диагностические признаки. Данное соотзетстБие приведено в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
ПРОВЕРКИnHFRMДТИЧРПСОЙ CHfTFVKT И f OOTRFTCTRVTOTTIHF ИМ ПРИЗНАКИ
м Проверка Признак Примечание
1 Проверка производительности компрессора K7S Время напотнения главного резервуара с / до b атм
2 Проверка номинальных значе- Среднее значение давления в ТЫ
ний давления ь мах моралях. Ртм
Среднее значение давления в ПМ
Рпм
Продолжение таблицы I.
№ Прикерка Признак Примечание
3 Проверка плотности тормозной и питательной магистрали (¡Ршм Величин?, падения давления в ТМ за 2.5 мни
РгрП Давление в ГР после 3 шш при начальном давлении 7 атм
4 Проверка г.ттотяоети УР ЛРур У-ечьи в УР аа 1 мин
5 Проверка чувствительности ЗР к торможению РгщТ Давление в ТЦ через 5 мин после сбрсса давления в УР на 0.5 атм
Ц$1Т Напряжение на поездном проводе СОТ при торможении
6 Прсвсрка чувсгвнгсльностн ЗР к отпуску РпщО Давление в ТЦ через 4 с после перевода ручкн КМ в пел 7
и>ю Напряжение на поездном проводе СО! при отпуске
7 Проверка темпа ликвидации :верхзарядного давления Тлсд Время .ликвидации сверхзарядш с б до 5.8 атм
РггцХ Давление в ТЦ
Я Проверка отсутствия дедотту-:тимого снижения давления в тц АРтц Утечки в 777 яа 1 \"тн
Проверка ЭПТ на торможение РэтТ Давление в ТЦ через при терможенни ЭПТ
<1Рэт Изменение давления в ТМ за 5 мни при ЭПТ
10 Проверка ЭПТ на отпуск РгтО Давление в ТЦ при отпуске ЭПТ
11 Проверка пропускной способности КМ Тк.\< Время сброса давления в Г? с 7 до б атм через КМ
Перечисленные в таблице 1 проверки являются неполными и не могут с высокой степенью достоверности определить неисправный узел пневматической системы.
Рассмотрим данное утверждение на примере некоторых признаков. В нормально работающей пневматической системе, с дсклашчаий ироизиидшсльнооью компрееора (далее - ПК) ь момеш заряда миноранты сжатый воздух псступает от ПК в главный резерЕуар (далее - ГР). далее б питательную магистраль (далее - -ГШ), где разделяется на два основных направления: питательный резервуар (палее - ПР) н тормозная магистраль (далее - ТМ). Сжатый воздух поступает в ПР через редуктор и обратный клапан, в ТМ через кран машиниста (далее - КМ). При поездном положении КМ ежатам воздухом заряжается уравнительный резервуар (далее - УР). а также ТМ. Из ТМ сжатый воздух поступает к воздухораспределителям (далее - ВР). через которые заряжаются запасные резервуары (далее - ЗР). С'оотвстстзснно. условном удовлетворительного темпа заряда магистралей является отсутствие недопустимых утечек в указанных узлах. В ланном случае под недогустимымь понимаются утечки сопоставимые с производительностью компрессора, и рассчитываются на оснсвании математической модели пневматической системы [10] как падение давления в соответствующем узле за определенное время. Утечкн в ИМ и 11И оцениваются пс признаку НгрИ, утечки в 1М и подключенных к ней узлов оцениваются пэ признаку с1Ртм. Таким образом, недопустимое значение диагностического признака пронзюднтсльно:ти компрессора Тз78 может свидетельствовать о:
1) недопустимом техническом состоянии компрессора;
2) недопустимом техническом состоянии ИМ (признак РгрП)\
3) недопустимом техническом состоянии ТМ (признак ¿Ртм), при условии достаточной пропахкной способности КК{\
Б свою очередь, недопустимое состояние признака РгрП может быть обусловлено либо неплотностью ПМ. либо неплотностью ПР (н его обратного клапана), а недопустимое состояние признака йРтм может быть Обусловлено неплотностью ТМ. ЗР. либо ЗР. Прн этом необходимо иметь в виду, что недопустимое техническое состояние ПМ или ТМ не обязательно лриЕедет к недопустимому :остоянню признака Гз78 и наоборот прн определенных степенях развития дефектов компрессора. ПМ и ТМ. каждый нз которых нельзя однозначно отнести к недопустимому состоянию, в совокупности могут цршгсон к недолуешмому состоянию указанною признак».
Поскольку неплотности и другие неисправности определяются прн разных условиях (начальном давлении, времени фиксации) н имеют нелинейную зависимость от этих услоьий. то для построения модели, эписываю-щен их ззаимосшпь необходимо приведение к некоему унифицированному количественному описанию. По строить такое формальное описание можно, применив теорию нечетьих множеств [7.8].
для каждой неисправности <1 рассматриваемых узлов пневматической цепи определяем .лингвистические переменные, характеризующие степень развития дефекта Оф)={«нет», «допустимо», «треоует принятия мару, «недопустимо», «хритичлекп*}. аналогично каждому пртнаку из рассматриваемого примера на том же множестве определяем лингвистические переменные Е(5)={«нетр, «допустимо», «требует принятш мер», «недопустимо», «критически»}. Использованное множество расширено, по сравнению с принятыми в диагностике множеством состояний {«допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо») [9]. при этем под значением «лет» подразумевается такая степень развития дефекта, при которой не обнаруживается его влияние на другие узлы пневматической системы, под значением «критически» - степень развития дефекта, при которой некоторый участок, зключающни неисправный узел, в совокупности будет находиться в недопустимом техническом состоянии. Пример нечетких множеств приведенных тннгвистнческнх значений приведен на рис. 1.
На основании введенных переменных можно определить и формализовать ряд нечетких логических выводов (совокупность правил нечеткого выв э да). например:
Если Е(Р:рП, = «недопустимо», то ТХПР\ = скритически» и Э(ПМ) Ф «критически», или ТХПР) = «критически» и Т)(П1Л) = «критически», или Ь(11Р) = «недопустимо» и О(ИМ) = «умеренно», или П(ПР) - «умеренно» и ЭШМ) ~ «недопустимо >•
функции принадлежности
допустимо ■■■■нет недопустимо ---> кретмчю требует пр*-нятич мер
Рис. 1. Пример нечетких множеств .тннгзистическнх значений
Но с учетом того что ретгеннем аадячи диагностики является состояние узла, можно проичвеетт-- обратичти логический вывод, который представляется в следующем виде:
Если Е(РсрП) - "недопустимо" и D(TIP) — "критически", wo D(I1M) •? "недопустимо" Если Е(РсрП) - "недопустимо" и D(TJP) — "недопустимото D(IJM) — 'умеренно" Если Е(РсрП) - "недопустимо " и D(JIP) -г "недопустимото D(TIM) — 'недопустимо "
Пусть К/х) — лннгвигтичегчое шячение/ргнее введенной переменной F.(s) то еств К/s) можно рассматривать как степень принадлежности значения признака s состоянию f. А также пу сть D/p) - лингвистическое значение /ранее введенной переменной D/p). Тогда модеть участка пневматической системы, описанного в примере. можно выразить с помощью системы (1):
E^TslS) = Djrjjj(ПК) @Е-¿-л(РгрП) 0 (Е^{dPvm)глЁ^(ТШ)) E^(dPnn,) = D^(TM)eD^(3P)®Diijn(BP) (1)
Е^РгрП) = Dxjjjill?) 6 Dzjjj (UM)
где 6- функция граничного объединения f.iA$B(х) = nii]i(//ie5(x) - (х) ,1)
На основе логического анализа (1) можно выпотнитъ следующее преобразование:
£>хдп{ПК) = Е^Тэ!S) \ (Е^(РгрП) w (^(^п^М) D^iTM) = Е^(dPrrm) \(DHjn(ЗР) kj D^BP)) (2)
О^ЩМ) = Е^РгрП) \ Е)щщ (TIP)
Сформулируем аналогичные правша для допустимого состояния ПК. ПМи ТМ
D^IIK) - ^.7578)^(^(7578) г,(Е„(Р:рП) ^(E^dPimt)пЁ^(Ткм)У)) D„n(TM] = Е^ (dPmM) kj {^{dPnm) сл (Dv (ЗР) <jDKp (BP))) (3)
D„n(IIM) = Е^РгрП) u (Ё^(РгрП) r, D^ ШР))
Формализованные правила (2) и (3) определяют допустимые п недопустимые состояния ПК. ТМ а ПМ, то есть некие граничные условия. Все. что не входит в данные условия - определим как состояние «требует принятия мер», что в формализованном виде можно представить следующим образом:
D-шмСПК) = 0^(ТЖ) В^(ПК)
Отпм(ТМ) = D^(TM) n D^(TM) (4)
D^ (ПМ) = б^(ПМ) п Б^(ПМ)
Системы нечетких выьодоз (2), (3) и (4) представляют собой логико-лингвистическую модель пневматической цепи, из которой наглядно видно, что для определения технических :остояний ПК. ПМ и ТМ необходимо знать, помимо обязательных диагностических признаков, технические состояния ЗР. BP и ПР. для чего необходимо звссги дополннтслбныс диагностические признаки и точки измерения
На основе конкретного примера технически сложного объекта диагностирования показан способ построения диагностической модели, на основе вербального описания, путем формализации качественных критериев и правит на основе нечеткой логики
IV. Результаты
На основе представленной методики разработана потная логико-лингвистическая модель пневматической системы, которая описывает взаимосвязь диагностических признаков с состоянием узлов. На основе построенной модели видно, что для обеспечения требуемой глубины диагностирования необходимо расширить число течек измерения н дополнить вектор диагностических признаков. Для реализации экспертной системы на базе
построенной модели необходимо установить функции принадлежности которые в данном случае определялись на основе ранее разработанной математической модели [10], путем компьютерного моделирования.
Результаты разработай данной модели применены и прошли успешные испытания на различных типах ятек-тросекцнй в 13 депо. Достоверность диагностирования, определенная по результатам разборок п ревизий узлов, неисправность в которых была обнаружена, составила не менее 95 % Полнота выявляемых неисправностей прн этом превысила 86 %_ чло подтверждено результатами наладки и эксплуатации ялектропоездов [11].
v. выводы и заключение
Предложенный способ построения диагностической модели позволяет синтезировать правила диагностирования сложных технических систем с заданной полнотой и глубиной на основе априорных знаний о структуре объекта диагностирования, в виде вербального описания, и шассах неисправностей в условиях априорной неопределенности текущего состояния на ра!ных стадиях диагностирования и невозможности применения тестового диагностирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нурматова Е. Б. Подход к решению задачи классификации технических состояний в нечеткой логической систем Н Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. № 1. С. 170-174.
2. Костюков А. В.. Казарнн Д. В. Щелканов А. В. Методика диагностирования электропневматнческон системы электропоездов И Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с международным участием / ОмГУПС. Омск. 2012. С. 121.
3. Щелканов А. В.. Костюков Ал. В. Методика диагностирования технического состояния автотормозной системы электросекцни мотор-вагонного подвижного состава // Наука. образование, бизнес : материалы Всерос. науч.-пракг. конф. / ИРСнД. Омск, 2013. С. 210.
4. Koctyukov А_. Kazarin D , Shchelkanov A. Technical condition evaluation of the electric multiply unit pneutronic system equipment // The Tenth international conference on condition monitoring and machinery failure prevention technologies CM2013/MFPT2013, 2013.
5. Инструкция по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог. ЦГ-ЦВ-ЦП-ВНИИЖТ/277: утв. Первым министром путей сообщения от 16 мая 1994г. / МПС РФ. М, 2002. 11 б с.
6. Пат. 2457966 Российская Федерация. МПК В 601 17/22, G 01 M 17/08, заявл. 10.05.2011.
7. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М_: Мир, 1976.
S. ГОСТ Р 53563-2009. Контроль состояния и диагностика машнн. Мониторинг оборудования опасных производств. Порядок организации. М., 2010.
9. Асан К.. Ватада Д., Иван С. [н др.] .Прикладные нечеткие системы : пер. с япон. / под ред. Т. Тэрано. К. Асан. М. Сугэно. М_: Мнр, 1993. 368 с
10. Костюков В. Н.. Щелканов А. В. Модель пневматической системы электропоезда Н Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с международным участием / ОмГУПС. Омск, 2012. С. 67-75.
11. Костюков В. Н.. Костюков Ал. В.. Казарнн Д. В.. Щелканов А. В. Автоматизированная система управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией и ремонтом оборудования подвижного состава пригородного пассажирского комплекса (АСУ БЭРТММВПС) И Техника железных дорог. 2013 Jt 1. С. 62—66
