Теория вопросников и системы обучения поиску неисправностей в устройствах сигнализации, централизации и блокировки Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Информационные технологии в обучении УДК 656.25+681.5.09

А. Н. Павлов

Теория вопросников и системы обучения поиску неисправностей в устройствах сигнализации, централизации и блокировки

Введение

Квалификация работников дистанций сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) является одним из определяющих факторов, непосредственно влияющих на безопасность движения поездов, качество технического обслуживания устройств СЦБ, надежность работы устройств и сокращение времени на подготовку и выполнение работ по техническому обслуживанию устройств СЦБ.

Низкий уровень квалификации работников дистанции, прежде всего электромехаников и электромонтеров, - общеизвестная проблема. В настоящее время, в условиях перехода на новые методы обслуживания, сопровождающегося сокращением штата, эта проблема усугубляется повышением меры ответственности каждого конкретного работника и требований к его квалификации. Кроме этого, существует проблема недостаточной подготовленности выпускников вузов, техникумов и дортехшкол к реальной практической деятельности. Требуется достаточно много времени, чтобы они адаптировались к реальному производству и получили профессиональные навыки.

Единственный путь решения этой проблемы - широкое применение для организации занятий по всей тематике технической учебы автоматизированной обучающей системы для дистанций СЦБ (АОС-ШЧ), работающей на базе компьютерной техники [1].

АОС-ШЧ ориентирована, прежде всего, на решение двух взаимосвязанных задач технической учебы - глубокое изучение принципов и алгоритмов работы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) и методику поиска неисправностей в них. Решение этих задач обучения является основой для повышения квалификации пользователей системы. Основными пользователями системы являются линейные работники дистанций СЦБ, которые непосредственно заняты техническим обслуживанием устройств, и диспетчерский аппарат, осуществляющий контроль за выполнением графика технического обслуживания устройств СЦБ.

98

Информационные технологии в обучении

В состав АОС-ШЧ входят обучающие курсы практически по всем широко эксплуатируемым устройствам и системам ЖАТ. Кроме этого, имеются обучающие курсы и по другим важным разделам технической учебы дистанций СЦБ.

Система обучения АОС-ШЧ разрабатывается учеными и инженерами кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения с 1987 года по настоящее время [2]. За двадцатипятилетнюю историю АОС-ШЧ были усовершенствованы не только элементная база и программное обеспечение АОС-ШЧ, но и методика составления курсов обучения.

На 2012 год системой АОС-ШЧ на российских железных дорогах оборудовано более 150 дистанций СЦБ.

1 Принципы построения алгоритмов поиска неисправностей

Способы построения алгоритмов поиска неисправностей в АОС-ШЧ для систем и устройств ЖАТ разнообразны. Это определяется принципами построения, структурой и конфигурацией алгоритмов поиска неисправностей, а также диагностическими возможностями технического персонала по поиску дефекта. В настоящее время в АОС-ШЧ используется комплексный метод диагностики, названный логико-информационным [3], [4]. Данный метод подразумевает разбиение процесса поиска неисправности на два этапа: логический - определение предотказавшего либо отказавшего функционального узла, схемы или цепи и информационный - определение неисправного элемента узла, схемы или цепи.

Первый этап осуществляется на основе анализа нарушения логики работы системы или устройства ЖАТ (невыполнение устройством своих функций). Для анализа необходимо:

■ изучить штатный алгоритм работы устройства или системы в целом (экспертный метод сбора данных);

■ составить список отказов устройств на основе статистики отказов устройств (статистический метод сбора необходимых данных);

■ моделировать все неисправности из списка, чтобы оценить влияние каждой на работу устройства или системы;

■ сгруппировать отказы по принципу аналогичного влияния на выполнение функций устройства или системы;

■ произвести синтез диагностического алгоритма, т. е. подобрать проверки и установить их очередность.

Подбор проверок осуществляется на основе знания диагностических возможностей устройства или системы. Это, например, индикация на пульте дежурного по станции, выполнение действий на нем, возможность измерений в контрольных точках, а также замены блоков и элементов и др.

99

Информационные технологии в обучении________________________________

Второй этап состоит в определении неисправного элемента, функционального узла схемы либо цепи с помощью наиболее совершенного из известных методов - информационного. Он основан на принципе оценки количества информации после каждой проводимой проверки [5]. В информационном методе фигурируют вероятности отказов и время на их локализацию, как в методе время-вероятность. В нем исключен последовательный перебор всех элементов структуры технического объекта. Одним из важных отличий данного метода от эвристических методов является анализ множества допустимых проверок при поиске, а также составление таблицы отношений проверок и неисправностей, для чего требуются более глубокие расчеты с применением техники.

В основе информационного метода лежит принцип оценки меры неопределенности (энтропии) после каждой проводимой проверки. Предпочтение отдается проверке, дающей максимальное количество информации из всех возможных на рассматриваемом этапе (т. е. после которой наблюдается максимальная убыль энтропии АН)

= ~Pi logа(Pi)-(1 -Pi)logд(1 -PiI

где pi - условная вероятность обнаружения неисправности после i-й проверки;

а - число исходов проверки.

Максимальная убыль энтропии наблюдается при вероятности pi = 0,5. Для учета времени проверки существует ее эффективность, выраженная отношением убыли энтропии ко времени T, затраченному на проверку:

Для примера построим дерево поиска неисправностей по информационному методу (табл. 1).

Как видно из табл. 1, первым задается вопрос y4. Множество неисправностей делится на два подмножества: (х1, x4} и {x2, x3}. Для двух подмножеств строится табл. 2 и 3, причем вероятности проверок пересчиты-

Д 0,05 0 07

ваются. Для примера px =------------= 0,07.

x 1 - 0,1 - 0,15

Пользуясь результатами всех трех таблиц, построим дерево поиска неисправностей дефектов (рис.1).

100

Информационные технологии в обучении

Таблица 1

Таблица неисправностей и проверок для информационного метода

Проверка Неисправность Время проверки, мин Вероятность обнаружения неисправности Рг Эффектив- ность проверки 9г

*1 *2 *3 *4

У1 0 0 0 1 15 0,7 0,05875

У2 1 1 0 0 10 0,15 0,06098

Уз 1 0 1 0 12 0,2 0,06016

У4 1 0 0 1 12 0,75 0,06761

Вероятность возникновения неисправности 0,05 0,1 0,15 0,7 — — —

Таблица 2

Таблица неисправностей множества {x2, x3} и проверок для информационного метода

Проверка Неисправность Время проверки, мин Вероятность обнаружения неисправности Рг Эффектив- ность проверки 9г

*2 *3

У1 0 0 15 0 —

У2 1 0 10 0,6 0,097095

Уз 0 1 12 0,4 0,080913

Вероятность возникновения неисправности 0,4 0,6 — — —

Таблица 3

Таблица неисправностей множества {x\, x4} и проверок для информационного метода

Проверка Неисправность Время проверки, мин Вероятность обнаружения неисправности рг Эффектив- ность проверки 9г

*1 *4

У1 0 1 15 0,93 0,024395

У2 1 0 10 0,07 0,036592

Уз 1 0 12 0,07 0,030494

Вероятность возникновения неисправности 0,07 0,93 — — —

101

Информационные технологии в обучении

м

0,05

Ы {Х2}

0,10

{*з}

0,15

Рис. 1 Дерево поиска неисправностей, построенное по информационному методу

2 Развитие технологий поиска неисправностей в устройствах железнодорожной автоматики

Является ли дерево поиска неисправностей, изображенное на рис. 1, оптимальным? Есть ли у существующих методов поиска неисправностей критерии, по которым можно определить оптимальность алгоритма и сравнить его с аналогами?

На эти вопросы может ответить теория вопросников [6]—[8], решающая широкий круг дискретных задач оптимизации, в том числе синтеза алгоритмов поиска неисправностей объектов во многих отраслях техники.

Основным объектом в данной теории является вопросник, позволяющий определить классы разбиений исходного множества событий (совпадает с информационным методом). В вопроснике выделяются события (отказы систем и устройств ЖАТ) и вопросы, позволяющие различить отказы (применительно к задаче АОС-ШЧ - множество элементарных проверок). Каждое событие имеет свой вес, к примеру, условная вероятность возникновения отказа. Каждый вопрос имеет вес (pj) и цену (c3): весом является сумма весов исходов вопроса, а ценой - некоторое, заранее известное, положительное число, характеризующее, например, время проверки. Зная параметры веса событий и цен вопросов, можно характеризовать вопросник параметром цены обхода - среднего времени идентификации отказа:

! I

с = 1

с 3Р

з^з-

3 =1

где n - число вопросов.

102

Информационные технологии в обучении

Чем меньше величина C, тем быстрее в среднем выполняется поиск неисправности, а значит, алгоритм является более эффективным.

Вопросник задается древовидным графом с одной корневой вершиной (она соответствует первому вопросу), некоторым количеством промежуточных (они соответствуют промежуточным вопросам) и висячих (они соответствуют идентифицируемым событиям) вершин. В графе вопросника в любую вершину входит только одна дуга и выходит - несколько. Число исходящих дуг является основанием вопроса (aj).

Подсчитаем цену обхода вопросника, изображенного на рис. 1:

Срис.1 = 0,75 • 10 + 0,25 • 10 +12 = 22.

Ключевой проблемой теории вопросников является построение оптимальных по цене обхода вопросников. На приведенном выше примере определим, всегда ли с помощью информационного метода можно построить оптимальный вопросник? Оказывается, что нет. На рис. 2 построен вопросник по табл. 1 по одному из точных методов теории вопросников - методу динамического программирования [9].

{*i} {*2}

Рис. 2 Оптимальный вопросник

Цена обхода вопросника, изображенного на рис. 2, равна: Срис2 = 0,15 • 12 + 0,3 • 10 +15 = 19,8.

Из сравнения рис. 1 и 2 ясно, что вопросник, построенный по методу динамического программирования, оптимальнее вопросника (дерева поиска дефектов), полученного с помощью информационного метода.

103

Информационные технологии в обучении_____________________________________

Заключение

Для совершенствования АОС-ШЧ целесообразно внедрить в технологию составления алгоритмов обучения для поиска неисправностей методы теории вопросников. Подобные алгоритмы, адаптированные в программное обеспечение АОС-ШЧ, дадут последовательности проверок, более оптимальные с точки зрения времени локализации дефекта. Например, в работе [10] показано, как синтезируется алгоритм поиска неисправностей в устройствах контроля схода подвижного состава (УКСПС).

Библиографический список

1. Гриненко А. В. Автоматизированная обучающая система для дистанций сигнализации и связи / А. В. Гриненко, В. В. Нестеров, В. Л. Лабецкий // Автоматика, связь, информатика. - 2001. - № 11. - С. 22-25. - ISSN 0005-2329.

2. Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения в ХХ-начале XXI в. / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников и др. — СПб. : Петербургский государственный университет путей сообщения, 2009. - 346 с. - ISBN 978-5-7641-0221-4.

3. Гриненко А. В. Поиск отказов в устройствах СЦБ / А. В. Гриненко, В. Л. Лабецкий // Автоматика, связь, информатика. - 1990. - № 12. - С. 25-28. - ISSN 0005-2329.

4. Нестеров В. В. Поиск неисправностей в устройствах ЖАТ / В. В. Нестеров // Автоматика, связь, информатика. - 2005. - № 4. - С. 34-35. - ISSN 0005-2329.

5. Перникис Б. Д. Предупреждение и устранение неисправностей в устройствах СЦБ; 2-е изд., перераб. и доп. / Б. Д. Перникис, Р. Ш. Ягудин. - М. : Транспорт, 1994. - 254 с. - ISBN 5-277-01433-0.

6. Picard C. F. Graphes et questionnaires // Paris: Ganthier - Villars. 1972. Vol. 1, P. 146; Vol. 2, P. 212.

7. Аржененко А. Ю. Оптимальные бинарные вопросники / А. Ю. Аржененко, Б. Н. Чугаев. - М. : Энергоатомиздат, 1989. - 128 с. - ISBN 5-283-01499-1.

8. Пархоменко П. П. Теория вопросников / П. П. Пархоменко // Автоматика и телемеханика. - 1970. - № 4. - С. 140-159. - ISSN 0005-2310.

9. Пархоменко П. П. Основы технической диагностики (оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / П. П. Пархоменко, Е. С. Сого-монян. - М. : Энергоатомиздат, 1981. - 320 с.

10. Сапожников Вл. В.Теория вопросников и поиск неисправностей в УКСПС / Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов, А. Н. Павлов // Автоматика, связь, информатика - 2012. - № 1. - С. 30-32. - ISBN 0005-2329.

104