СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА НЕЧЕТКОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ИЛИ ПРОЦЕССА Российский патент 2000 года по МПК G06F7/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в различных автоматизированных системах распознавания (диагностики), кластер-анализе, идентификации технического и функционального состояния изделий авиационной и космической промышленности, а также в экспертных системах и ситуационных центрах динамического анализа социальных, энергетических и финансово-экономических многопараметрических объектов или процессов.

Известны устройства и способы контроля и диагностики состояний технического объекта (СССР, а.с. N-01504653, A1, G 06 F 15/46, 1989 г.), при реализации которых в процессе контроля и диагностики фиксируются медленные изменения параметров за каждый цикл, а полученные данные сравниваются с эталонными значениями и на основании сравнения делается заключение о состоянии объекта, а также способ для ввода считываемых автоматических цифровых данных в полутоновые изображения (ЕВП/EP/, N 0493053, A2, G 06 K 1/12, 19/16, 15/00, 1992 г. ) и способ обработки данных (ЕВП/EP/, N-0493105, A1, G 06 F 15/17, 1992 г.).

Предлагаемые способ и устройства не позволяет оперативно проводить диагностику состояния многопараметрического динамического объекта или процесса (МПО) по большому множеству измерительных параметров.

Известен способ оперативной диагностики состояний МПО по данным измерительной информации (патент РФ на изобретение N 2125294 // Бюллетень изобретения N 2, 1999 г.). Способ позволяет проводить диагностику состояний МПО по большому множеству параметров, однако не позволяет оценить величину и характер изменения интегрального состояния (класса состояний) контролируемого объекта по всему множеству наблюдаемых измерительных параметров, текущее значение которых может быть нечетким (размытым, расплывчатым, неопределенным).

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта по данным телеметрической информации (патент РФ N 2099792 // Бюллетень изобретений N 35, 1997 г., с. 595). Предлагаемый способ позволяет оперативно обнаружить источники возмущений и места их возникновения в контролируемых (телеметрируемых) объектах. Вместе с тем способ не позволяет оценить величину и характер изменения интегрального состояния контролируемого объекта по всему множеству наблюдаемых измерительных параметров, текущее значение которых может быть нечетким.

Для сложных МПО, текущее состояние которых может быть неоднозначным (неопределенным), проведение однозначной допусковой оценки нечеткого состояния (значения) каждого из динамических параметров при большом их множестве вызывает определенные трудности, что связано с неоднозначностью отнесения текущего нечеткого состояния динамического параметра и в целом МПО к тому или иному классу четких состояний (в допуске - не в допуске, исправен - неисправен). Особенно это проявляется при дефиците времени, например, при решении задачи динамического анализа в реальном масштабе времени, т.н. в темпе изменения текущего состояния МПО.

Цель изобретения - оперативное представление и динамический анализ нечеткого состояния многопараметрического объекта или процесса с определением относительной величины и характера изменения его состояния, контролируемого по всему множеству наблюдаемых измерительных параметров, текущее значение которых может быть нечетким.

Цель достигается реализацией заявляемого способа оперативного динамического анализа нечеткого состояния МПО, позволяющего реализовать принцип учета предыстории функционирования МПО на основе проведения целевой декомпозиции исходного нечеткого множества многопараметрического пространства состояний объекта на классы четких и нечетких состояний (значений) разнородных динамических параметров.

Способ позволяет обеспечить визуальный динамический анализ как четких (однозначно идентифицированных), так и нечетких (неоднозначно идентифицированных) текущих состояний объекта с экрана одного многоцветного видеомонитора и оперативно (в реальном масштабе времени) определять относительную величину и характер изменения диагностируемого обобщенного состояния МПО с оценкой последовательности (предыстории) его изменения. Все это в комплексе обеспечивает сокращение сроков анализа состояния МПО и используемых технических свойств отображения динамических параметров для информационной поддержки принятия решения по диагностики состояний МПО и который является элементом автоматизированной системы диагностики.

При анализе состояния МПО, наблюдаемого по n-у динамическому параметру (показателю состояния МПО), его текущее состояние в t_i-й момент времени можно представить в виде выражения

где A₁ ⁿ(t_i) - штатное четкое состояние n-го параметра, т.е. параметр однозначно находится в t_i-й момент времени в допуске; A₃ ⁿ(t_i) - нештатное четкое состояние n-го параметра, т.е. параметр однозначно находится в t_i-й момент времени не в допуске; - нечеткое состояние n-го параметра, т. е. система обработки в t_i-й момент времени не может в силу тех или иных причин однозначно определить в допуске или не в допуске динамический параметр. Нечеткость состояния параметра определяется тем, что его текущее значение в виде размытости, расплывчивости может быть отнесено как штатному, так и нештатному состоянию.

Обобщая выражение (1) по всему множеству динамических параметров n∈N или МПО в целом, получаем возможные обобщенные оценки классов состояния.

Состояние динамических параметров, оцененных в соответствии с выражением (2) по этапам функционирования (движения) объекта, определяет соответственно его обобщенное (интегральное) состояние и переходы объекта из одного состояния в другое (динамику состояний). Например, в простейшем случае множества определяют соответствующие классы штатных K^ш и нештантых K^н состояний МПО. Очевидно, чем более неопределенней (неоднозначней) ситуация на выходе МПО и чем большее влияние оказывают различные дестабилизирующие факторы на измерительный сигнал (динамический параметр), тем труднее провести оценку текущего нечеткого состояния МПО с идентификацией исходного многопараметрического пространства на классы { A₁(t_i), A₃(_i)} четких состояний динамических параметров и тем большее количество динамических параметров попадает в класс нечетких состояний.

Нечеткое подмножество можно представить в виде соотношения

где ΔA₁ и ΔA₃ - значение погрешностей определения A₁(t_i) и A₃(t_i) при оценке параметров из исходного множества A(t_i), которые не позволяют однозначно идентифицировать (классифицировать, распознавать) анализируемый параметр и отнести его к одному из четких подмножеств A₁(t_i) и A₃(t_i).

Исключение сложной операции идентификации (классификации, распознавания) нечетких состояний динамических параметров только на классы четких состояний (классы эквивалентности), как предложено в прототипе, и переход к гибкой классификации на базе введения класса нечеткого состояния (класса толерантности) динамического параметра позволяет значительно упростить процесс оперативной обработки и анализа нечетких состояний динамических параметров и нечеткого состояния МПО в целом. Введем обобщенную характеристику

где N - общее количество динамических параметров, N(t_i) - количество динамических параметров, текущее значение которых в t_i-й момент времени отнесено к одному из подмножеств (классов) Используя введенные характеристики (2) и (4), можно получать различные цветокодовые матрицы-гистограммы. Так, кодируя определенным цветовым кодом видимого спектра каждый из выделенных классов состояний (2) динамических параметров и представляя относительную величину A_j ^*(t_i) в виде информационного поля соответствующего подмножества динамических параметров получаем 3-х уровневую цветокодовую матрицу-гистограмму состояния МПО.

В качестве оцениваемого показателя МПО, наблюдаемого с помощью динамического параметра, могут быть: давление, температура, вибрация и т.д. Соответственно, в качестве оцениваемой характеристики процесса (состояния) динамического параметра могут быть: амплитуда, частота, дисперсия, градиент и т. п.; в качестве оцениваемой характеристики используют динамические параметры, например быстро меняющиеся (вибропараметры), медленно меняющиеся параметры, траекторные параметры, сигнальные параметры и т.п.

Сущность способа, таким образом, состоит в том, что с целью обеспечения оперативного динамического анализа нечеткого состояния многопараметрического объекта или процесса, проводится оперативное преобразование результатов допусковой оценки четких состояний однородных динамических параметров в соответствующие информационные цветокодовые сигналы с обобщением по всему множеству динамических параметров в заданном временном интервале, при этом в качестве оцениваемой характеристики процесса могут быть амплитуда, частота и т. п. , в качестве параметров оцениваемой характеристики используют разнородные динамические параметры, в качестве результатов оценки используют результаты допусковой оценки нечетких состояний динамических параметров, операцию преобразования осуществляют путем формирования соответствующего информационного цветокодового сигнала видимого спектра в зависимости от результатов допусковой оценки текущих состояний динамического параметра с последующим отнесением его к одному из классов четких или нечетких состояний (в допуске, не в допуске, не известно) с обобщением по всему множеству параметров на заданном временном интервале, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством трех уровневой матрицы-гистограммы состояний, столбцы которой соответствуют относительным величинам оцененных классов четких и нечетких состояний динамических параметров объекта, строки - заданным временным интервалам, а заданный цвет (цветовой код) - соответствующему классу состояния динамического параметра, определяют относительную величину и характер изменения интегрального состояния могопараметрического объекта по направлениям изменения и относительным величинам этого изменения во времени информационных цветокодовых сигналов.

Таким образом, нечеткое многопараметрическое пространство состояний всего множества (потока) динамических параметров, независимо от его мощности, можно представить на экране одного многоцветного видеомонитора (дисплея) в виде 3-х уровневой цветокодовой матрицы-гистограммы состояний МПО [A_j ^*(t_i) • t_i • z(A_j ⁿ(t_i))] , где A_j ^*(t_i) - относительное количество динамических параметров, принадлежащих j-у классу состояний, j = 1,2,3; t_i - время регистрации; z(A_j ⁿ(t_i)) - цвет (цветовой код), соответствующий j-у классу состояния параметра.

Новизна предлагаемого способа по сравнению с прототипом и известными способами представления и анализа состояния многопараметрического объекта или процесса заключается в том, что разработана логическая последовательность действий по представлению и анализу нечеткого состояния МПО, которая приводит к достижению поставленной цели изобретения. В основе такого подхода предлагается использовать новый подход к декомпозиции многопараметрического пространства нечетких состояний динамических параметров на классы четких и нечетких состояний, что значительно облегчает реализацию алгоритмов классификации (кластеризации), распознавания (диагностики), идентификации и информационной поддержки принятия решений по управлению МПО.

Таким образом, совокупность существенных признаков, приводящая к требуемому результату в патентной и научно-технической литературе не обнаружена, что говорит об "изобретательском уровне" предлагаемого технического решения.

Сущность предложенного способа хорошо иллюстрируется при анализе различных вибрационных параметров. Пусть в качестве оцениваемой характеристики процесса выбрана амплитуда, в качестве параметров оцениваемой характеристики используются вибрационные параметры, в качестве результатов оценки используют результаты допусковой оценки нечетких состояний вибрационных параметров. Тогда оперативный динамический анализ нечеткого состояния объекта или процесса рассмотрим на примере оценки мощности и динамики распределения удара (локального взрыва) МПО (фиг. 1 и фиг. 2). На фиг. 1 приведено традиционное представление графиков изменения некоторых динамических параметров МПО с установленными на нем измерительными датчиками n = 1,2,...,N, где N = 7, которые формируют соответствующие динамические параметры, амплитуды изменения которых колеблются от A_min до A_max. На фиг. 2 приведена цветокодовая матрица-диаграмма распределения мощности и характера удара (локального взрыва) МПО с оценками по амплитуде его текущих частных (параметрических) четких и нечетких состояний. В общем случае представление процесса изменения нечеткого состояния МПО можно представить в виде многоуровневой матрицы-гистограммы состояния МПО [A_j ^*(t_i) • t_i • z(A_j ⁿ(t_i))], где t_i-1 - начало и t_i+3 - конец ударного процесса на МПО.

Нечеткое состояние МПО определяется в общем случае множеством как четких, так и нечетких состояний динамических параметров. Определим множество (класс) K состояний МПО в виде трех подмножеств

где K^ш - класс штатного четкого состояния МПО; - класс нештатного нечеткого состояния, где нечеткость определяется в том числе и нечеткостью множества - класс штатного нечеткого состояния МПО, нечеткость которого определяется возможными последствиями возникновения нештатной ситуации на интервале t_i-1 - t_i+3. Так несмотря на штатное состояние всех динамических параметров (вибропараметров) после t_i+3-го момента времени, в объекте могли произойти какие-нибудь необратимые изменения, ненаблюдаемые с помощью рассматриваемой группы вибропараметров. Для идентификации наличия этих возможных изменений, т. е. устранения нечеткости необходима дополнительная обработка другой группы параметров (как правило, невибрационных).

Анализ рассматриваемого представления (фиг. 2), раскрывающего суть предлагаемого способа, позволяет проводить оперативный динамический анализ состояния МПО, в том числе:
оценить характер удара (локального взрыва) объекта, по виду (характеру) изменения его интегрального состояния. Так из фиг. 2 однозначно следует, что удар был импульсный с максимальной нагрузкой на момент времени t_i-1, равномерным уменьшением (затуханием) на интервале t_i - t_i+3 и полным окончанием удара на момент времени t_i+3;
оценить в относительной величине максимальную мощность удара (локального взрыва) на интервале t_i-1 - t_i по общему количеству вибрационных параметров, однозначно (A₃) и неоднозначно вышедших за поле допуска;
оценить интегральное распределения мощности удара (локального взрыва) на объекте во времени по общему количеству вибрационных параметров, распределенных по множествам
Таким образом, способ позволяет обеспечить динамический анализ изменения интегрального нечеткого состояния многопараметрического объекта с экрана многоцветного видеомонитора, оперативно (в реальном масштабе времени) обнаруживать изменение класса состояния МПО и оценивать динамику состояния по всему множеству динамических параметров. Такое представление позволяет комплексно оценить динамику состояния МПО по большому множеству динамических параметров, текущее состояние которых может быть нечетким, а сами динамические параметры могут быть разнотипными (аналоговыми или цифровыми, быстро меняющимися и медленно меняющимися и т.п.). Все это в комплексе позволяет оперативный динамический анализ изменения состояния МПО, обеспечивает сокращение сроков обработки и анализа информации и используемых технических средств ее отображения для информационной поддержки принятия решений обработчиком-аналитиком.

Несомненным достоинством предлагаемого способа является явно выраженная когнитивность представления нечетких ситуаций, так получаемые цветокодовые описания распределения во времени подмножеств нечетко оцененных параметров несут в себе обобщенную информацию о характере наблюдаемого процесса (удара), также как и цветокодовые описания распределения множеств четко оцененных параметров. Для решения задач оперативной диагностики динамики ударных процессов предлагаемый подход позволяет избежать применения сложных алгоритмов классификации нечеткого многопараметрического пространства параметром МПО, а следовательно, значительно повысить оперативность и комплексность динамического анализа быстро изменяющихся процессов.

Целесообразно использовать для динамического анализа сложномногопараметрических объектов и процессов в различных практических приложениях.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных автоматизированных и экспертных системах распознавания (диагностики) и идентификации технического и функционального состояния изделий авиационной и космической промышленности, а также в экспертных системах и ситуационных центрах динамического анализа социальных, энергетических и финансово-экономических многопараметрических объектов или процессов. Технический результат заключается в повышении оперативности представления и анализа текущих нечетких состояний многопараметрического объекта, который достигается за счет того, что идентифицированные текущие состояния выбранной характеристики представляют в соответствующие информационные цветокодовые сигналы видимого спектра последовательно во времени с обобщением по всему множеству параметров в заданном временном интервале. При этом операцию преобразования осуществляют путем формирования информационного цветокодового сигнала в зависимости от результатов оценки текущего нечеткого состояния объекта, отображают цветокодовые сигналы посредством матрицы-гистограммы состояний объекта, столбцы которой соответствуют идентифицированному значению рассматриваемой характеристики, строки - заданным временным интервалам, определяют последовательность и характер изменения состояния объекта. 2 ил.

Способ оперативного динамического анализа нечеткого состояния многопараметрического объекта или процесса, заключающийся в оперативном преобразовании результатов допусковой оценки состояний динамических параметров в соответствующие информационные цветокодовые сигналы с обобщением по всему множеству динамических параметров в заданном временном интервале, отличающийся тем, что в качестве оцениваемой характеристики процесса могут быть или амплитуда, или частота, или дисперсия, или градиент, в качестве параметров оцениваемой характеристики используют разнородные динамические параметры, в качестве результатов допусковой оценки используют допусковые оценки нечетких состояний динамических параметров, при упомянутом преобразовании формирование соответствующего информационного цветокодового сигнала осуществляют в видимом спектре в зависимости от результатов допусковой оценки текущего состояния динамического параметра с последующим отнесением его к одному из классов четких или нечетких по отношению к допуску состояний с обобщением по всему множеству параметров на заданном временном интервале, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством трехуровневой матрицы-гистограммы состояний, столбцы которой соответствуют относительным величинам оцененных классов четких и нечетких состояний динамических параметров объекта, а строки - заданным временным интервалам, определяют относительную величину и характер изменения интегрального состояния многопараметрического объекта по направлениям изменения и относительным величинам этого изменения во времени информационных цветокодовых сигналов.