CC BY
21П. А. Будко
Доктор технических наук, профессор, ученый секретарь ПАО «Интелтех»
A. М. Винограденко
Кандидат технических наук, доцент, докторант Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
С. В. Кузнецов
Главный конструктор ООО «Информтехпроект»
B. К. Гойденко
Адъюнкт Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО состояния РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКТОВАНИЯ ПОКАЗАНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ТИПОВ ДАТЧИКОВ
АННОТАЦИЯ. В материалах статьи представлен способ комплексного контроля и диагностики радиоэлектронных модулей образцов вооружения, военной и специальной техники, основанный на анализе, комплексировании измерительной информации, поступающей от тепловизора, датчика напряженности магнитного поля, датчика напряжения и видеокамеры. Приведен прототип системы моделирования технического состояния радиоэлектронных модулей образцов вооружения, военной и специальной техники, осуществляющих данный способ. Предложен подход к решению задачи трехмерного представления технического состояния радиоэлектронного оборудования на базе совместных показаний четырех датчиков.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: универсальный автоматизированный комплект технической диагностики, комплексный контроль, радиоэлектронное оборудование, датчики.
Введение
В состав современных образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) видов и родов войск Вооруженных Сил Российской Федерации входит разнообразное радиоэлектронное оборудование (РЭО). Значимость и относительная доля объема этого оборудования в каждом образце ВВСТ непрерывно возрастает, что требует создания эффективных средств диагностики для технического обслуживания и ремонта (ТО и Р).
Радиоэлектронное оборудование ВВСТ строится на единых принципах цифровой обработки сигналов, с использованием одинаковой электронной компонентной базы, что дает
возможность создания эффективных унифицированных средств диагностики, единых для ВВСТ всех видов и родов ВС РФ.
Цель работы — разработка способа комплексного контроля и диагностики радиоэлектронных модулей образцов вооружения, военной и специальной техники, основанный на анализе, комплексировании измерительной информации, поступающей от тепловизора, датчика напряженности магнитного поля, датчика напряжения и видеокамеры.
Рассмотрим задачу оценки технического состояния радиоэлектронных модулей образцов ВВСТ (объектов контроля), основанной на анализе, комплексировании измерительной информации, поступающей от тепловизора,
датчика напряженности магнитного поля, датчика напряжения и видеокамеры. Разрабатываемый способ должен удовлетворять следующим условиям: 1) выполнять комплексирование показаний датчиков таким образом, чтобы признаки, характеризующие состояние объекта контроля по одному параметру, «невидимые» для одного типа датчиков, но идентифицируемые датчиками другого типа, могли быть обнаружены; 2) оценивать вероятности нахождения контролируемых параметров, характеризующих техническое состояние радиоэлектронного оборудования, как объекта контроля, в пределах допусков; 3) осуществлять построение трехмерной модели технического состояния контролируемого объекта.
1. Определение диапазона достоверности наблюдаемых параметров на основе параметрической безотказности контролируемого оборудования
На основе статистического анализа измеренных параметров Х радиоэлектронных модулей, устанавливают диапазон достоверности — область работоспособных состояний, представляющий интервал разброса значений параметров, соответствующих работоспособному РЭО в целом. Для любого параметра РЭО может быть установлен вектор параметров состояний Х(0 = {Х:(0, Х2(0, ..., Х(0,..., Хк(0}, I = = 1, 2, ... к, независящий от времени а также векторы, ограничивающие допустимые пределы изменений Xснизу {Хн1, Хн2, ..., Хъ[, ..., Хпк} и сверху {Хв1, Хв2, ..., Хв1, ..., Хк [1].
При этом выход любого параметра полученного измерительного сигнала Х(0 за соответствующие пределы Хъ[, Хв1 должен рассматриваться как сигнал об отказе РЭО, поступающий с датчика. В этом случае имеется возможность контролировать или прогнозировать изменение параметров Х(0- Следовательно, можно вычислять параметрическую безотказность контролируемого оборудования, которую характеризуют вероятностью его безотказной работы за данное время. За время t в параметрической постановке вероятность безотказной работы контролируемого оборудования
Р (0 = ^ (т>0 = Ж [Хн < Х Хв ], (1)
где т — случайное время возникновения отказа или время безотказной работы контролируемого оборудования.
Из-за отклонений свойств РЭО, условий и режимов его эксплуатации все параметры Х(0 в общем случае можно рассматривать как случайные функции. Допустимые пределы Хъ[, Хв1, если они заданы в эксплуатационной документации, являются детерминированными (неслучайными) функциями.
Таким образом, состояние контролируемого оборудования описывается вектором случайных функций, причем все функции в этом векторе зависимы или имеют случайную линейную зависимость, так как отражают работу одного и того же объекта [2].
С учетом этого в самом общем случае задача расчета параметрической безотказности состоит в отыскании вероятности того, что за время t ни одна из реализаций х^) случайных функций Х(0 не выйдет за допустимые пределы Хъ[, Хв1. Если предположить, что функции Хп1 и Хв1 неслучайны и детерминировано определяют Б диапазон достоверности контролируемого оборудования для всех t, то в этом случае:
Р «И -1 f [Х1 (t)'Х2 ^).-.
Б
Х Хк (0]хйХх...йХ1...йХк, (2)
где/[Х(0, Х2(0, ..., Х(0, ..., Хк(0] — плотность вероятности вектора Х(0 случайных функций, Б — область интегрирования, в пределах диапазона достоверности.
Характер возникновения параметрического отказа для случая, когда к = 1, то есть Х(0, Хн, Хв — не векторы функций, а функции (рис. 1). Неслучайные функции Хн, Хв образуют диапазон достоверности. Случайный процесс Х(0 представлен математическим ожиданием
за допустимые пределы
и,
А /
.............................................................
«е-> *
и1
и и
Д/,
А
1
п
у/
к* ^пор *
Рис. 2. Зависимость установки значений допусков от динамики выхода контролируемого параметра за допустимые пределы
Рис. 3. Определение вероятности параметрического отказа
и реализациями одна из которых вышла за нижний предел (момент тх отказа элемента оборудования), а другая — за верхний предел (т2).
Скорость выхода контролируемого параметра за границы диапазона достоверности подтверждает необходимость динамического изменения допустимых пределов для предотвращения отказов оборудования [3].
С учетом того, что в определенный момент времени, состояние ОК определяется только одним случайным параметром X.](?), можно учесть переменность пределов. При этом задача сводится к тому, чтобы вычислить вероятность, если заданы функции распределения случайных величин X, Хи,Хв.
На рис. 3 дана графическая интерпретация задачи для случая, когда эти величины непрерывны и заданы плотностями вероятностей /(х),/д(хн),/в(хв). Далее для простоты изложения символом / обозначены различные плотности вероятности. Заштрихованные площади соответствуют вероятности параметрического отказа, при котором реализованные значения
х, хн, хв случайных величин X, Хн, Хв таковы, что х < хн илих < хв.
Для вычисления вероятности параметрической безотказности введем случайные величины:
7Н = Х—Хн, Ув = Хв-Х.(3)
Тогда вероятность Рп того, что случайная величина Хне выйдет за уровни Хн, Хв, может быть вычислена как
Рп = Ж(7н>0и7в>0). (4)
Случайные величины Уп и Уъ зависимы, так как в них входит одна и та же случайная величина X. Поэтому для вычисления вероятности Рп, необходимо знать совместную плотность вероятности/^, ув). Если такая плотность найдена, то вероятность одновременного попадания случайных величин Уп и Уъ на интервал (0, в пределах диапазона достоверности определяется выражением:
да да
^п = | ••• | / (У*, ув) Фн ¿V (5)
о о
Таким образом, диапазон достоверности контролируемых параметров будет определяться исходя из установки допустимых пределов Хн, Хв на основе статистического анализа работы нескольких образцов РЭО.
2. Описание способа комплексного контроля технического состояния радиоэлектронного оборудования
Комплексный характер контроля заключается в получении измерительной информации об радиоэлектронном оборудовании, основанной нау разносторонних признаках (электромагнитном отклике, теплограмме, оптическом изображении, напряжении и др.), полученные, соответственно, от датчика напряженности
магнитного поля, тепловизора, видеокамеры, вольтметра и др. Учитывая, что передача измерительной информации о контролируемой аппаратуре с датчиков на блоки обработки информации осуществляется постоянно, то, при нормальной работе аппаратуры, ее объем будет избыточен. Для устранения избыточности, необходимо задействовать один (два) вида датчиков, снимающих информацию по наиболее критичным для определенного типа аппаратуры параметрам. В те моменты времени, когда контролируемые параметры будут выходить за допустимые пределы, информация, поступающая с датчиков, будет свидетельствовать о аварийном (предаварийном) состоянии оборудования. В этом случае важно, чтобы данные, поступающие с каждого датчика дополняли друг друга, давая более полную картину. Для каждого контролируемого элемента оборудования на заведомо работоспособных экземплярах по разносторонним признакам создают его «рабочий профиль» и сопоставляют с диапазоном достоверности. По результатам сравнения оценивают техническое состояние элемента РЭО, по наибольшему числу совпадений секторов сравниваемых диапазонов достоверности, а также идентифицируют место отказа (неисправность) элемента оборудования. Оценивают состояние радиоэлектронного оборудования в несколько этапов, причем на первом этапе, используют информацию о местах отказов и состояниях каждого элемента РЭО, по которой обнаруживают путем сравнения с диапазоном достоверности нарушение заданного режима функционирования (нормальное или аварийное состояние). На последующих этапах определяют уровень предаварийного состояния контролируемого объекта, идентифицируемый скоростью выхода его ОК за допустимые пределы (рис. 2), путем измерения всей доступной для получения измерительной информации.
Для совмещения показаний различных типов датчиков использован метод, основанный на сетке выбросов и Байесовском выводе, модифицированный для построения трехмерной модели технического состояния радиоэлектронного оборудования на основе поверхности точек. Измерения, полученные от каждого из датчиков представлены в виде поверхности точек в трехмерном пространстве (рис. 4), при этом каждая точка г поверхности представлена следующими величинами:
1) математическим ожиданием тх положения в трехмерном пространстве гх, гу, гг;
2) матрицей ковариации г5, задающей дисперсию трехмерного нормального распределения положения точки;
3) вероятностью параметрического отказа г '
отк'
4) вероятностями получения измерительного сигнала о предаварийных состояниях N эле-ментовРЭО гё , где Iе1,...,N.
Измерительная информация, полученная с датчика напряженности магнитного поля представлена в виде нескольких точек с положением г^ = М~1М~1у [4], где Мг — матрица, задающая положение датчика относительно контролируемого элемента радиоэлектронного оборудования; Мп1 — матрица технического состояния размерностью И*И, где И — длина V векторов (с координатой цифровой последовательности, которые представляют собой к измерений мгновенных значений напряжен-ностимагнитногополя, гдей = 1, 2, ..., #[5, 6].
Результаты измерений температуры контролируемого элемента радиоэлектронного оборудования (рис. 5), полученные с выхода тепловизора добавляются в поверхность точек в трехмерном пространстве путем построения карт Хотеллинга и обобщенной дисперсии на основе параметров, установленных при анализе процесса контроля параметров элемента радиоэлектронного оборудования, с выявлением возможных нарушений стабильности его
У
Рис. 4. Пример трехмерной модели технического состояния РЭО
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT Iss. 1 (145). 2019
технического состояния на основе наличия неслучайных структур и использования границ диапазонадостоверности [7].
Измерения напряжения, записываются в виде отдельной точки для каждой из точек карты, для которой с достаточной мерой доверия найдена сопряженная ей точка. Формулы вычисления точки измерения в трехмерном пространстве аналогичны точкам для датчиков напряженности магнитного поля.
Информация, полученная с видеокамеры представлена в виде изменения цветового диапазона точек поверхности трехмерного изображения (рис. 4), при соответствующим изменении цвета контролируемого элемента, в случаях выходов любого из параметров за пределы диапазона достоверности.
Координаты точек могут быть выражены как = М;1М^1КХн ЯХв [4], где - ма-
трица отклонений контролируемого параметра к нижней границе допуска относительно оси У; Ях 2 — матрица отклонений контролируемого параметра к верхней границе допуска относительно оси 2 области работоспособных состояний.
Матрица ковариации в глобальной системе координат задается выражением гь = Мх хЯх ГЯХ гМ5, при этом значение диагонали матрицы М5, соответствующее осям X, У
в локальной системе координат всех датчиков, задаются исходя из выбранного шага аппроксимации, а значение, соответствующее оси Z, задается исходя из точности конкретного датчика.
Данная модель может быть выражена математически следующим образом. Пусть занятость точки г определяется переменной состояния Cell, которая принимает одно из двух значений:
СеИ(г)={занята, свободна}.
Выброс — сигнал о выходе контролируемых параметров за границы диапазона достоверности (сигнал аварии), поступающий от датчика напряженности магнитного поля, тепловизора, датчика напряжения и видеокамеры в некотором направлении ф определяется переменной Cond:
Cond(r, ф)={сигнал аварии, сигнал нормы}.
Все возможные направления ф (от 0 до 360°) разбивается на q участков, обозначаемых ф;. Переменные состояния Cell и Cond объединяются через логическую операцию следования. Рассмотрим следующие допущения:
О: Cell{r) = занята;
Rt: Cond(r, ф) = выброс.
Тогда О выражается через Rt следующим образом:
R V R2 v ... V v R ^ O .(6)
Для определения вероятности того, что точка занята, используется байесовский метод. Для каждой точки г определяется истинность предложения О. Так как О относится к Я через логическое следование, вероятность можно определить как
Р(О) = Р(Я V Я2 V... V Яп) . (7)
Найдем вероятности предложений О и Я:
Р(О) = 1 -П1 -Р(Я) • (8)
Выражение (8) может использоваться для вычисления вероятности того, что точка занята (выход контролируемого параметра за границы диапазона достоверности), если известны вероятности выбросов Р(Я). При практическом применении выражение (8) может быть записано на основе формулы полной вероятности относительно значения Р{г).
Применим правило Байеса для определения вероятности Р(Я1 / г) по новому измерению контролируемого параметра г:
Р (Д|г) =
Р (г|Д- )Р ( Д-) Р {г)
(9)
где Р(Я,) — изначальная вероятность полученного сигнала о выбросе. В Байесовском подходе она обычно принимается равной 1/2, так как невозможно изначально определить занята или свободна точка.
3. Модель сенсора
Значение Р{г | Я) называется моделью сенсора. Модель сенсора определяет вероятность получения измерения г, если известно, что предложение Я1 — истинно.
Модель сенсора Рм(г | Яг) для датчика напряженности магнитного поля (НМП) можно представить следующим образом. Пусть Х1 — случайная величина, характеризующая контролируемый параметр иднмп — напряжение, фиксируемое датчиком НМП, а/(иднмп) — функция плотности вероятности нахождения Х1 в диапазоне достоверности, тогда
Рм (г\Щ) = <
0, если / (и
/ и
днмп
если
)< 0; )> о-
(10)
лируемого параметра из диапазона допусков одновременно двух и более элементов радиоэлектронного оборудования на решающее устройство (блок идентификации технического состояния) может поступить одновременно несколько сигналов о выбросах, а соответственно получено несколько точек в трехмерном пространстве. В общем случае, число таких точек будет пропорционально измеренной напряженности магнитного поля. Таким образом, вероятность того, что точка отображает выброс в данном направлении диапазона достоверности, обратно пропорциональна напряженности магнитного поля.
Модель сенсора РТ{г | Яг) для тепловизора можно представить следующим образом. Пусть
— _ _ Т
Х{ = (хп...хр) — вектор средних в 1-х мгновенных выборках измерений температуры (1 = = 1, ..., ш), Ху — среднее значение в 1-ой мгновенной выборке поу параметру. Тогда согласно алгоритму Хотеллинга, предполагающему расчет для каждой 1-ой мгновенной выборки статистики [8, 9]:
Т2 = пХ ~^й)тБ-1(Х1 -ц0), (11)
где п — объем мгновенной выборки; — вектор средних, = ..., №р)т.
При стабильном ходе процесса должно вы-
9 9 9
подняться условие Т < Ткр , где Ткр — граница диапазона достоверности. При оценивании компонент ковариационной матрицы с использованием текущих мгновенных выборок согласно (11) граница диапазона достоверности определяется:
2 Р( ш -1)( п -1)
Т2 =
кр
шп - ш - Р + 1
(Р> Шп - Ш - р + 1), (12)
где р1_а(р, шп — ш—р+1) — квантиль ^-распре-деления Фишера.
Основной критерий нарушения стабильности процесса — выход статистики Хотеллинга (11) за контрольную границу (12), то есть выход контролируемого параметра за границы диапазона достоверности, тогда
Рт ) = <
При регистрации контролируемого параметра г в этом диапазоне формируется выброс. С учетом фиксации нарушения диапазона достоверности датчиком при выходе контро-
|1, если Т2 < Тк
0, если Т2 > Т2 ■
2 .
кр'
->2 кр'
(13)
Модель сенсора Ри{г | Д) для датчика напряжения может быть описана выражением, аналогичным модели датчика НМП:
Ри№) =
[О, если/(1Гизм)<0; II, если/{^изм)>0,
(14)
где 11им — измеренное значение датчиком напряжения.
Модель сенсора Р^г | /?;) для видеокамеры с точностью до значений вероятности можно представить следующим образом. Пусть ^ — цветовой спектр, соответствующий диапазону изменения оттенков (цветов) контролируемого элемента (рис. 4), находящегося в различных состояниях, а/ь(з) — функция плотности вероятности спектра 5 [8], тогда
0,3, если /5(^)<ел5</';
Ру(г\%) = < 0,5, если/5(^)<ел5 </•; (15) 0,95/6(4 если/к($)>е.
Оценка классов технического состояния радиоэлектронного оборудования может осуществляется по алгоритму распознавания классов элементов контролируемого оборудования, включающего три режима работы: обучения, текущего контроля и оценки ошибок контроля. Описание действия алгоритма представлено в работе [10].
Заключение
Результаты исследования показывают, что при анализе параметрической безотказности радиоэлектронного оборудования могут быть использованы различные инструменты контроля. Для контроля значений параметров в наблюдаемой аппаратуре приведены алгоритмы, обеспечивающие повышение чувствительности к обнаружению аварийных ситуаций.
Использование разносторонних признаков позволяет повысить достоверность принятия решения о работоспособности радиоэлектронного оборудования.
Представленный способ контроля технического состояния радиоэлектронного оборудования на основе комплексирования показаний нескольких типов датчиков может быть использован для создания универсального автоматизированного комплекса контроля, позволяющего оценивать с высокой достоверностью работоспособность широкой номенклатуры РЭО ввст.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волков Л. И. Управление эксплуатацией летательных комплексов. — М.: Высшая школа.— 1987.— 400 с.
2. Винограденко А. М. Решение задачи помехоустойчивой передачи телеметрической информации методом расчета параметрической безотказности / Сборник материалов межвузовской НТК курсантов и молодых ученых. - 2009. Ч. 1. - С. 292-298.
3. Патент РФ № 96676. Система для контроля параметров технологических объектов. / Винограден-ко А. М., Федоренко И, В. Опубликован 09.03.2010.
4. Денисов А. В., Крушин Д. С., Файз рахманов Р. А. Моделирование ближайшею окружения многофункциональной роботизированной платформы на базе совместных показаний нескольких типов датчиков // Информационно-измерительные и управляющие системы. — 2017. Т. 15. № 9. — С. 11-17.
5. Патент РФ № 2548602. Способ и устройство автоматизированного контроля технического состояния электрооборудования. / Будко П. А., Литвинова.И., Винотраденко А. М. Опубликован 20.04.2015.
6. Будко П. А., Будко Н. П., Литвинов А. И., Ви-нограденко А. М. Экспериментальные исследования
кинетического метода контроля и диагностики технических средств // Мехатроника, автоматизация и управление. - 2014. - № 8 (162). - С. 37-44.
7. Будко П. А., Литвинов А. И., Гонденко В. К., Кислицлна Е. К. Методы неразрушающего контроля в диагностике состояния сложных технических объектов //Техника средств связи. 2018. № 4. С. 51-59.
8. Клячкнн В. Н., Карпу нина И. Н., Федорова М. К. Оценка стабильности температурного режима компьютера// Автоматизация процессов управления. — 2016. - № 3 (45). - С. 58-64.
9. Клячкнн В. Н., Кравцов Ю. А., Жуков Д. А. Оценка эффективности диагностики состояния объекта по наличию неслучайных структур на карте Хотеллинга // Автоматизация процессов управления. - 2015,- № 1 (39). С. 50-56.
10. Будко П. А., Жуков Г. А., Винограденко А. М., Гойденко В. К. Определение аварийного состояния морского робототехнического комплекса по многоэтапной процедуре контроля на основе использования вей влет-преобразований // Морская радиоэлектроника. - 2016. - № 4 (58). - С. 2-7.
