CC BY
19
Восстановительная медицина, спортивная медицина, лечебная физкультура, курортология и физиотерапия
УДК 681.518.25, 681.5.042 Н. В. Ивахно
Структура и алгоритм контура самодиагностики интеллектуальных тренажеров дыхательной мускулатуры
Ключевые слова: дыхательный тренажер, исполнительное устройство, напряжение питания, информационная модель, компаратор, датчик тока, восстановление параметров.
Keywords: breathing simulator, actuator, power supply, information model, comparator, current sensor, restore parameters.
Решается задача контроля и диагностики параметров автоматизированных тренажеров дыхательной мускулатуры. Рассмотрена информационная модель диагностического обеспечения, предложены структура и алгоритм, обеспечивающие отказоустойчивость работы исполнительного устройства и быстрое восстановление системы при возникновении возмущающих воздействий, вызванных сбоем по питанию, что снижает риск получения баротравмы пациентом.
Введение
При разработке систем автоматического управления, работающих в контуре биотехнических систем, важное значение приобретают вопросы обеспечения их надежности и безопасности. В последнее время для устранения неблагоприятных последствий возможных отказов широко используются алгоритмические методы [1], которые базируются на разработке избыточных алгоритмов, использующих для достижения поставленной цели функционирования различные комплексы управляющих воздействий и управляемых переменных системы, а также на процедуре целенаправленного изменения алгоритма управления в процессе накопления нарушений [2]. Особенностью построения контуров диагностики биотехнических систем является поиск для контроля таких параметров, отказ или изменение которых оказывают наибольшее воздействие на состояние пациента, что требует быстрого восстановления работоспособности. При проектировании аппаратуры тренажерного воздействия на дыхательную систему [3, 4] следует учесть, что безрезультатная остановка в каком-либо фрагменте алгоритма обработки данных и управления может привести либо к возникновению баротравмы пациента, либо к значительному искажению содержания и темпов выдачи результатов исследования дыхания [5], что нарушает условия
функционирования тренажеров и может привести к негативным воздействиям на пациента. Поэтому проведение исследований в области построения систем самодиагностики различных биотехнических комплексов, в том числе аппаратуры тренажерного воздействия, является актуальной научной и инженерной задачей, решение которой предлагается осуществить за счет программной, алгоритмической и аппаратной автоматической коррекции.
Материалы и методы исследования
Интеллектуальные дыхательные тренажеры (ДТ) являются сложными информационно-техническими системами [3], содержащими множество блоков, состояния которых характеризуются дискретно — непрерывно изменяющимися параметрами [3, 4]. Здесь и далее под блоками ДТ (как элементами информационно-технической системы), понимаются части конструкции, обладающие определенным запасом энтропии, не изменяющие своего состояния при программном (исправном) функционировании системы, а также блоки, передающие или преобразующие электрический сигнал или какое-то рабочее тело данной системы.
Известно, что техническое диагностирование выполняет три основные функции: получение информации о техническом состоянии объекта технической диагностики (ОТД); обработку и анализ полученной информации; подготовку или принятие решения [1, 2], а основной целью технического диагностирования является получение достоверной информации о действительном состоянии отказавшего объекта [6]. Если этот отказ произошел во время функционирования ДТ, то следует предусмотреть возможность восстановления системы, особенно если это касается сбоев по питающему напряжению. Следовательно, техническое диагностирование — это, прежде всего, информационное взаимодействие между объектом и средствами технического диагностирования [2]. Поэтому
Восстановительная медицина, спортивная медицина, лечебная физкультура, курортология и физиотерапия
представляется возможным сформировать общую математическую модель процесса диагностирования на основе информационного подхода. Для формализации процесса диагностирования будем использовать одно из основных понятий теории информации — «энтропию объекта». Энтропия Н(с) объекта, принимающего N возможных состояний с вероятностями _р(с^), р(с^), ..., р(с^), характеризует степень его неопределенности и рассчитывается по следующей зависимости [2]:
N
Н(с) = -£ р(с1 )1ся2 р(с1). (1)
ь=1
Тогда количество информации I, необходимое и достаточное для оценки технического состояния отказавшего объекта [1, 2], утратившего работоспособность, определяется выражением
N
I = Н(с) = -£ рС )1сЯ2 рС), (2)
ь=1
где Н(с) — энтропия состояния отказавшего объекта; р(с{) — априорная вероятность появления ¿-го состояния объекта (ь = 1, N); N — число возможных состояний ОТД.
Величина I — результат последовательного уменьшения энтропии состояния ОТД за счет контроля параметров, характеризующих состояние объекта как на его выходе, так и в точках съема диагностической информации, введенных в диагностическую структуру объекта [1, 2]. Здесь и далее под точками съема контрольно-диагностических данных будем понимать точки «отбора» информации о состояниях различных подсистем и блоков ОТД, включенные в его диагностическую структуру. Согласно [1] количество информации, содержащейся в параметре у, о состояниях с объекта может быть определено по формуле
1у = Н(с) - Н(с / у),
(3)
где Н(с/у) — условная энтропия состояния объекта после контроля параметра у.
Для этого необходимо знать границы интервала предпочтительных значений измеряемого параметра диагностирования и вероятности попадания этих значений в тот или иной подинтервал размером Ду внутри соответствующего интервала [1, 2]. Считая, что эти условия выполнены, разобьем интервал возможных значений параметра у на т диагностических подинтервалов длиной Ду.
Тогда величина Н(с/у) представляет собой «взвешенную» соответствующими вероятностями сумму (свойство аддитивности энтропии) частных условных энтропии Н(с/Ду,) , т. е.
т
Н(с / у) = X р(АУ; )Н(с / Ду,), (4)
,=1
где р(Ду,) — вероятность появления значения параметра в Ду,-м диагностическом интервале.
По аналогии с (2) можно записать
т
Н(с / Ду,) = - X р(сь / Ду,) 1оЯ2 р(с / Ду,), (5)
,=1
где р(сЬ/Ду,) — вероятность нахождения объекта в сЬ-м состоянии при условии, что параметр у принял одно из значений интервала Ду,.
Подставляя в выражение (5) известные из теории вероятностей соотношения
р(Ду, / с)р(с1) = р(с / Ду,)р(Ду,) и
р(Ду,) = X р(с )р(Ду, / сь),
,=1
(6)
получим:
N
Н(с / Ду,) = -Х
р(сь )р(Дуь / сь )
7 р(Ду,)
р(сь)р(Ду, / с1)
N
(7)
X р(сь)р(Ду, / сь)
ь=1
Тогда с учетом (7) выражение (4) для общей условной энтропии запишется в виде
N т
Н(с / у) = -X X р(сь)р(Ду, / сь) х
ь=1,=1
р(сь) р(Ду, / с^)
1оЯ2
N
(8)
X р(с) р(Ду, / сь)
ь=1
где р(Ду,/Сь) — вероятность появления значения параметра в Ду,-м интервале при условии, что объект находится в сь-м состоянии.
Заменив в уравнении (8) логарифм дроби сум-
N
мой логарифмов и учитывая, что X р(Дуь / сь) = 1
ь=1
(полная группа событий), можно получить при подстановке (2) и (8) в (3) уравнение для вычисления количества информации, содержащейся в параметре у относительно N состояний объекта, в виде
р(сь)р(Ду, / сь) 1у = XX р(сь) р(Ду, / сь )1оЯ2 ^---. (9)
ь=1,=1 X р(Сь )Р(ДУ, / сь)
ь=1
Выражение (2) с учетом (9) примет вид
N т
р(сь / Ду,)
I = X X р(сь)р(Ду, / сь) ' . (10)
ь=1,=1 р(сь)
Тогда количество информации, полученной от к точек съема контрольно-диагностических данных ОТД, определится выражением
т ££ ( ) V (Д / )1 р(сь) р(сь / Ду,) _ Ik = X Xp(cь) X р(Ду, / сь )1о§2-^--.(11)
2=1 ь=1 ,=1 р(сь)
где р(сь) — априорная вероятность появления Сь-го состояния объекта (ь = 1, N); N — число возможных состояний; р(Ду,/Сь) — вероятность появления
биотехносфера
| № 3(39)/2015
значения параметра в Dyj-м интервале при условии, что объект находится в с^-м состоянии; k — число точек съема диагностической информации; m — число диагностических подинтервалов возможных значений параметра у; p(сi/ Дyj)— вероятность нахождения объекта в Ду^м состоянии при условии, что параметр у принял одно из значений интервала Дyj [4].
Если полученная информация ^ полностью снимает априори существовавшую неопределенность Н(с) [на практике это соответствует условиям, когда отказы явные или по всем неисправностям имеется полная исходная диагностическая информация Н(с) = Ik)], задача диагностирования будет решена однозначно [2, 6].
Таким образом, используя информационный критерий и учитывая структуру тренажерного комплекса, описанную в работах [3, 4], выбрали ряд точек, обеспечивающих однозначное решение задачи диагностирования. Это система электропитания, исполнительное устройство, а также отдельный блок контроля, входящий в диагностическую систему, — блок анализа состояния дыхательной системы человека через измерение давления.
Устройство самодиагностики (рис. 1) включает в себя источник питания (ИП), рассчитанный на напряжение Uп (как правило, +12 В), выход которого соединен с первым преобразователем напряжения ПН1. Один выход ПН1 соединен с первым компаратором по напряжению (КОМП1), сигнал с которого подается на блок контроля и управления. Второй выход первого преобразователя напряжения ПН1 связан со входом второго преобразова-
теля напряжения (ПН2). Один выход ПН2 соединен со входом второго компаратора питания (КОМП2), а второй — с блоком контроля и управления. Питание двигателя (Д) осуществляется с ИП через датчик тока и импульсный усилитель (ИУ), выполненный по мостовой схеме на полевых транзисторах. Сигналы с датчика температуры (ДТ) и датчика тока подаются на блок контроля и управления. Часы реального времени (ЧРВ) необходимы для независимой фиксации моментов переключения различных блоков.
Дыхательный тренажер работает следующим образом.
В ходе тренировки пациент дышит через дыхательную трубку с загубником. Давление в ротовой полости P(t) на вдохе и выдохе фиксируется с помощью датчиков давления (ДД) и преобразуется в цифровую форму в устройстве управления, где рассчитываются параметры дыхания пациента и формируется сигнал управления на исполнительное устройство, воздействующее на регулируемый дроссель (РД) [3].
Устройство самодиагностики контролирует состояние исполнительного устройства, представленного двигателем (Д), через датчик тока, на вход которого поступает напряжение от источника питания. ДТ, установленный вблизи или на корпусе двигателя, передает сигнал на блок контроля и управления, который, анализируя значения с датчика тока и ДТ, обеспечивает защиту исполнительного устройства от перегрузки и перегрева и позволяет повысить отказоустойчивость тренажера, своевременно регулируя скорость работы двигателя.
Рис. 1
Обобщенная структура блока самодиагностики тренажеров дыхательной мускулатуры
Восстановительная медицина, спортивная медицина, лечебная физкультура, курортология и физиотерапия
0 0
Сохранение текущих параметров, характеризующих состояние устройства и человека
0
0
0
0
Нет
Рис. 2
0
Алгоритм диагностики и контроля подсистемы электропитания дыхательных тренажеров
43
Таким образом, основным условием функционирования исполнительного устройства, представленного двигателем, являются критерии:
!дв(*) ^ I
пр
*да(*) ^ Ъ
пр
где !пр, £пр — предельные значения тока и температуры, формируемые исходя из технических условий на двигатель.
Напряжение с источника питания UIÍ поступает на ПН1 с коэффициентом kl, осуществляющим преобразование:
^Н1 =
При подаче напряжения с ПН1 на вход первого КОМП1, настроенного на предельное минимальное питающее напряжение ^1, на его выходе при уровне входного напряжения ниже того, на которое настроен компаратор ^1, формируется сигнал в виде логической единицы. Этот сигнал подается на блок контроля и управления (БКиУ) и сигнализирует о сбое первичного электропитания, что позволяет в энергонезависимой памяти БКиУ заблаговременно сохранить текущие данные о положении регулируемого дросселя, давлении в дыхательном контуре, значении энергонезависимых часов реального времени Тр. в. Второй преобразователь напряжения (ПН2) с коэффициентом преобразования к2, соеди-
ненный с ПН1, преобразует входное напряжение до уровня, необходимого для питания БКиУ:
UПН2 = Uпk1k2 = ^ПШ^
Второй КОМП2, на вход которого подано напряжение с ПН2, настроен на предельно допустимое питающее напряжение ^2 БКиУ. При снижении уровня входного напряжения относительно предельно допустимого ^2, КОМП2 на выходе вырабатывает логическую единицу, осуществляющую перезапуск БКиУ. При автоматическом перезапуске БКиУ, так как сработала схема сигнализации сбоя первичного электропитания, представленного ПН1 и КОМП1, и промежуточные данные были сохранены, происходит восстановление работы всех параметров системы с того момента, когда произошел сбой по питанию, в том случае, если анализ сохраненного и текущего значений часов реального времени (ЧРВ) показывает разницу менее 1 с:
0 < Тр. в < 1 с.
Если разница между этими значениями превышает 1 с, это указывает на начальное включение дыхательного тренажера, и БКиУ начинает работу с исходного состояния.
В целом алгоритм формирования управляющих импульсов с блока контроля питания на БКиУ
биотехносфера
| № 3С39)/2015
x~i —
можно описать следующими математическими выражениями:
[1, если sign (UHl - UnHl) > 0;
|о, если sign(Uhi -UHHi) — -1;
_ [1, если sign (Uh2 - UHH2) > 0; x2 — i
|0, если sign (Uh2 - UHH2) — -1,
где UnH1 = Unk1 UnH2 = Unk1k2-
Фрагмент алгоритма, описывающий обобщенную структуру работы блока самодиагностики, изображен на рис. 2.
Заключение
Выбранные параметры диагностирования обеспечивают снятие неопределенности по информационному критерию, осуществляя контроль наиболее значимых блоков, оказывающих влияние на состояние пациента. Экспериментальные исследования показывают, что применение указанной структуры и алгоритма повышает отказоустойчивость аппаратуры тренажерного воздействия за счет контроля состояния исполнительного устройства, блока питания и обеспечения быстрого восстановления системы при возникновении возмущающих воз-
действий, что снижает риск получения баротравмы пациентом и расширяет область применения дыхательных тренажеров.
Литература
1. Гасов В. М., Соломонов А. А. Организация взаимодействия человека с техническими средствами АСУ: в 7 кн. Кн.1. Инженерно-психологическое проектирование взаимодействия человека с техническими средствами: практ. пособие / Под ред. В. Н. Четверикова. М.: Высш. шк., 1990. 127 с.
2. Афоничкин А. И., Панфилов С. А. Качество информационного обеспечения в процессах управления. Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 1988. 204 с.
3. Ивахно Н. В., Федоров С. С. Принцип построения математической модели процесса обработки сигналов при распознавании дыхательной активности в системах интеллектуального тренажерного воздействия //Биотехносфера. 2014. № 5 (35). С. 19-22.
4. Обобщенная структура контура самодиагностики в интеллектуальных тренажерах дыхательной мускулатуры // Материалы докл. 11-й Междар. науч. конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии»: Кн. 2. Владимир, 2014. С. 82-85.
5. Федоров С. Ю., Цкипури Ю. И., Хадарцев В. А. Тренировка дыхательной мускулатуры // Вестн. новых мед. технологий. 2009. Т. XVI, № 2. С. 154-156.
6. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.
f
Как оформить подписку?
• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентство «Урал-Пресс».
• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-53-90 или электронной почтой gfm@polytechnics.spb.ru заполненный запрос счета на подписку.
Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»
Полное название организации_
Юридический адрес_
Банковские реквизиты_
Адрес доставки_
Срок подписки Кол-во экз.
Тел. Факс e-mail
Ф.И.О. исполнителя
Стоимость одного номера журнала при подписке через редакцию — 550 руб. с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru.
Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.
