Способ прогнозирования технического состояния многоканального приёмного тракта гидроакустического комплекса корабля Российский патент 2023 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустики и измерительной техники, и может быть использовано для прогнозирования технического состояния многоканального приемного тракта гидроакустического комплекса корабля.

Общей проблемой прогнозирования его технического состояния является отсутствие системной оценки апостериорной интенсивности его отказов и учета эксплуатационной надежности. Внедрение прогнозирования позволяет изменить методику оценки технического состояния, при этом оценка технического состояния будет происходить не по априорно заданной вероятности, а по апостериорно полученной зависимости, связывающей предшествующее состояние объекта с его последующим состоянием. Положительный эффект от прогнозирования очевиден и может быть подтвержден количественным значением коэффициента готовности, комплекс по отношению которого произведено прогнозирование технического состояния имеет коэффициент готовности выше, чем комплекс без прогнозирования. Коэффициент готовности это важнейшая характеристика эксплуатационной надежности, это вероятность нахождения объекта в работоспособном состоянии к началу очередного цикла контроля.

Существует способ, которым можно осуществлять прогнозирование технического состояния, это прогнозирование на основе оценки вероятности нахождения процесса в пределах поля допуска при этом определяется вероятность невыхода процесса за установленные ограничения. В соответствии с этим способом, если известны значения параметров y[t₁], y[t₂], …, y[t_n], полученные в моменты времени t₁, t₂, …, t_n, то также известна функция состояния Х(y, t), полностью характеризующаяся функцией распределения F(X). По известным значениям y[t₁], y[t₂], …, y[t_n], X(y,t), F(X) можно получить вероятность невыхода функции распределения за допуск Δ, где X(y,t_n+m) - значение функции состояния на интервале прогнозирования t_n+m, Х(у) - номинальное значение функции состояния, Δ - это разница между допустимым значением и номинальным значением функции состояния. Такое решение называют вероятностным, то есть нахождение плотности распределения по допуску прогнозированием [Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Метод прогнозирующего контроля радиоэлектронной аппаратуры с адаптацией межконтрольного интервала // Моисеев С.А., 2013].

Недостатком данного способа является высокая требовательность к априорной проработке функции состояния, для получения значения Р на всем поле допуска требуется полное теоретическое описание процесса изменения X(t), то есть на этапе проработки вероятность изменения контролируемого параметра должна быть задана точно и полностью известна, что трудновыполнимо для случая, если контролируемая величина это входной случайный сигнал, в случае приемного тракта гидроакустического комплекса корабля, ввиду этого отсутствует адаптивное реагирование на неучтенные в априорном расчете данные (факторы эксплуатации).

Еще одним способом прогнозирования является определение класса исследуемой аппаратуры по долговечности. Данный способ предусматривает отнесение контролируемой аппаратуры гидроакустического комплекса к одному из временных классов. Пусть в момент времени t₁ получены значения параметров диагностируемой аппаратуры y₁(с₁),у₂(t₁),…,y_n(t₁), характеризующие функцию состояния Х(у,t₁). Необходимо по совокупности параметров y₁(t₁),y₂(t₁),…,y_n(t₁) и функции состояния принять решение о принадлежности аппаратуры к одному из классов. Классы могут быть параметрические, временные и др. Множество классов и их размер определяются специфическими и техническими особенностями аппаратуры в составе ГАК, для которой производится прогнозирование. Данный метод называется методом статистической классификации [Пути реализации прогнозирующего контроля гидроакустических комплексов / «Гидроакустика» вып. 4, 2018 г.].

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ оперативной оценки остаточного ресурса цифровой аппаратуры в составе гидроакустического комплекса. Подход, изложенный в способе, не содержит принципиальных ограничений для распространения на весь состав аппаратуры гидроакустического комплекса, для любой аппаратуры можно получить апостериорное значение интенсивности отказов.

[Красников И.А. Оперативная оценка остаточного ресурса цифровой аппаратуры в составе гидроакустического комплекса Сборник докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» МАГ-2017. СПб., 2017, 293 с.].

Сущность данного способа заключается в использовании априорного расчета показателей надежности. Далее с учетом полученных реальных значений на данные показатели накладывается дополнительная информация о составляющих объекта и воздействий на него в виде функций, отражающих условия эксплуатации.

К функциям, отражающим условия эксплуатации, относятся температурные C(t) и влажностные p(t) показатели, так же коэффициент электрической нагрузки элементов K(t). При расчете надежности учет этих показателей крайне важен. Но при реальной эксплуатации данные условия могут отличаться от расчетных, что будет накладывать определенный «отпечаток» на сохранение свойств элементов в объекте.

В соответствие с этим способом в режиме реального времени измеряют набор функций эксплуатации, и формируют M(t) - обобщенный фактор эксплуатации, который оказывает влияние на полученную ранее априорную величину интенсивности отказов.

Выработка обобщенного фактора эксплуатации происходит на основе априорных данных о влиянии того или иного фактора эксплуатации на деградационные процессы в объекте контроля. При расчете данного фактора целесообразно учитывать не каждый фактор в отдельности, а суммарный, с учетом весовых коэффициентов k_i (количество данных коэффициентов зависит от выбранного набора контролируемых эксплуатационных факторов), учитывающих «вклад» каждого фактора в деградацию аппаратуры. Как пример можно привести обобщенный фактор эксплуатации для объекта, на который главным образом влияет температурный C(t) и влажностный ρ(t) режим эксплуатации, по сравнению с которыми остальными условиями эксплуатации можно пренебречь, тогда M(t)=k₁C(t)+k₂ρ(t). После получения M(t) на текущий момент времени, необходимо экстраполировать M(t) на величину расчетного времени жизни.

В результате расчета апостериорных показателей надежности с учетом обобщенного фактора эксплуатации можно получить апостериорные показатели надежности: интенсивность отказов λ_p(t), вероятность безотказной работы Т_р, время жизни P_p(t) где λ_p(t)=λ(t)M(t); λ_p(t), T_p, P_p(t) - показатели надежности с учетом реальной эксплуатации.

На основании требований нормативной документации, зависимостей и показателей λ_р(t),Т_р,P_p(t), а также экстраполированных данных принимается решение о восстановлении технического состояния до работоспособного или исправного, или продолжение эксплуатации.

Недостатком способа - прототипа является необходимость частного решения о том, какие именно факторы стоит учитывать, а какие нет при корректировке полученных априорно расчетных данных, а также трудоемкость при создании математической модели учета факторов эксплуатации.

Задачей предлагаемого способа является унификация алгоритма прогнозирования с целью отказа от необходимости частных решений о том, какие именно факторы стоит учитывать, а какие нет при корректировке полученных априорно расчетных данных.

Технический результат изобретения заключается в повышение эксплуатационной надежности гидроакустического комплекса - увеличения коэффициента готовности путем внедрения в эксплуатационную систему технического диагностирования функции прогнозирования технического состояния.

Для достижения указанного технического результата в способ оперативной оценки ресурса цифровой аппаратуры в составе многоканального приемного тракта гидроакустического комплекса корабля, включающий расчет априорных показателей надежности: интенсивности отказов λ_а(t), вероятности безотказной работы P_a(t), времени жизни Т_а, элементов аппаратуры в составе гидроакустического комплекса и использование апостериорных данных, полученных в процессе эксплуатации, с последующим перерасчетом показателей надежности, введены новые признаки, а именно: на электрические входы каналов приемного тракта гидроакустического комплекса корабля в течение всего времени контроля подают тестовый электрический сигнал, путем замера напряжения на выходе каждого канала приемного тракта и сравнения с предельно допустимой величиной в момент времени t_i-1 и t_i, разделенные фиксированным промежутком времени Δt=t_i-t_i-1, определяют количество отказавших элементов в момент времени t_i n(t_i) и количество элементов, отказавших в момент времени t_i-1 n(t_i-1) из общего количества элементов N, определяют количество исправных элементов N_p на момент t_i по формуле N_p(t_i)=N-n(t_i), для каждого момента t_i получают апостериорные показатели надежности путем расчета интенсивности отказов по формуле , получают дискретный массив интенсивности отказов для всего времени наблюдения, производят аппроксимацию и экстраполяцию по формуле , производят перерасчет показателей надежности Т_р, P_p(t) с учетом реальной эксплуатации по формулам где апостериорное время жизни Т_р является спрогнозированным временем до наступления отказа с вероятностью Р_р(t).

Получение значений прогнозируемого параметра λ(t_i) через заданные временные промежутки Δt. Здесь и далее t₀ будет соответствовать первому циклу контроля, при котором получено значение λ₀; t₁ будет соответствовать второму циклу контроля, при котором получено значение λ₀ и т.д. В результате на интервале (t₀…t_n) будет получен дискретный срез λ(t₀…t_n). Интервал t₀…t_n - интервал наблюдения.

Аппроксимация результатов λ[t₀…t_n]. В результате аппроксимации формируется аналитическое описание λ(t). При выборе метода аппроксимации необходимо опираться на ту модель, которая больше априорно подходит под возможный тренд изменения диагностического параметра. По теории надежности интенсивность отказов на этапе деградации приближена к экспоненциальной зависимости. В качестве эмпирической формулы целесообразно взять экспоненциальную функцию: Получения a и b методом наименьших квадратов: .

Экстраполяция аппроксимированной функции λ(t). λ(t) экстраполируется до значения λ_max. По апостериорной λ(t) рассчитываются апостериорные показатели надежности λ_p(t)=λ(t)M(t); где λ_p(t), T_p, P_p(t) - показатели надежности с учетом реальной эксплуатации. Тем самым предлагаемый способ позволяет получить показатели надежности с учетом реальной эксплуатации без выработки частного решения о том, какие именно факторы стоит учитывать, а какие нет при корректировке полученных априорно расчетных данных.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где на фиг. 1 приведена структурная схема устройства прогнозирования технического состояния приемного тракта гидроакустического комплекса корабля.

Схема устройства реализующего способ оценки технического состояния многоканального приемного тракта гидроакустического комплекса корабля с последующим прогнозированием (фиг. 1) содержит: накопитель 1 данных с данными по априорному расчету надежности, выполненному на ранних этапах проектирования гидроакустического комплекса корабля, приемный тракт гидроакустического комплекса 2 в составе которого есть генератор 9 для подачи на вход каналов усиления и аналого-цифрового преобразования 10 тестовых сигналов, систему 3 диагностики и контроля технического состояния приемного тракта корабля по результату анализа стимулирующего сигнала, результатом работы, которой является локализация неисправности по диагностическому параметр, данные об отказах проходят на блок 4 сбора информации, где происходит накопление информации об отказах и формирование массива дискретных значений интенсивности отказов для блока 5, в котором происходит обработка данных по апостериорной интенсивности отказов для предоставления в программный блок 6 перерасчета апостериорных показателей надежности, блок 6 где происходит перерасчет апостериорных показателей надежности, данные от блока перерасчета апостериорных показателей надежности поступают на блок 7 решения о стратегии дальнейшей эксплуатации. Блоки 1, 3-7 являются программными и выполняются в цифровом вычислителе (ЦВК) гидроакустического комплекса.

Практическое исполнение блоков, входящих в изобретение, известно из практики гидроакустики и реализуется на основе применения цифровых устройств.

Реализацию способа удобно продемонстрировать на примере работы устройства (фиг. 1). В накопителе 1 данных по априорному расчету надежности, на этапе технического проекта, сохранен расчет надежности полученных ранее показателей: интенсивности отказов, вероятности безотказной работы, время жизни (λ_a(t), P_a(t), T_a). На вход приемного тракта 2 гидроакустического комплекса корабля с целью определения технического состояния каналов, вместо штатного входа X[1…N], подается тестовый сигнал с генератора стимулирующего воздействия 9 Xcc[1…N], по выходным значениям напряжения N канального усилителя и аналого-цифрового преобразователя - 10 Y[1…N] в системе 3 диагностики, где идет сравнение с допусками на выходную величину Y и те каналы, в которых Y превышает допустимую величину считают отказавшими, а остальные каналы продолжают подвергать процедуре контроля посредством тестового сигнала. Информация о техническом состоянии каналов приемной части комплекса поступает в блок 4, в котором происходит получение дискретных значений интенсивности отказов где n(t_i) - количество отказавших элементов в момент времени t_i, n(t_i-1) - количество элементов отказавших в момент времени t_i-1, N_p - количество исправных элементов на момент t_i, Δt - интервал времени между наблюдениями Δt=t_i-t_i-1, аккумулирование в виде дискретных отсчетов интенсивности отказов каналов Δ[t_i]. Дискретные отсчеты λ[t_i] поступает в блок 5 обработки апостериорных данных, где производится аппроксимация, в результате формируется аналитическое выражение:

По аналитическому выражению происходит экстраполяция λ(t). Данные по полученной λ(t) поступают в блок 6, где происходит перерасчет априорных данных по надежности от блока 1, и вырабатываются показатели T_p,P_p(t) - показатели надежности с учетом реальной эксплуатации в соответствии с выражениями

.

По результатам экстраполяции показателей на будущий участок времени реализуется прогнозирование технического состояния на будущий участок времени - период прогнозирования. Полученные апостериорные данные и данные о техническом состоянии поступают на блок решение о стратегии дальнейшей эксплуатации 7, где принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации. Представленные данные позволяют считать, что задача успешно решается.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и измерительной техники и может быть использовано для оперативной оценки остаточного ресурса приемного тракта в составе гидроакустического комплекса. Сущность: предложен способ с применением процесса получения апостериорного значения интенсивности отказов и перерасчетом показателей надежности на основании аппроксимированной и экстраполированной зависимости интенсивности отказов. Это позволяет исключить необходимость частного решения о том, какие именно факторы стоит учитывать, а какие - нет, при корректировке полученных априорно расчетных данных. Технический результат: прогнозирование позволяет изменить методику оценки технического состояния, оценка технического состояния происходит не по априорно заданной интенсивности отказов, а по апостериорно полученной по данным эксплуатации. 1 ил.

Способ оценки технического состояния многоканального приемного тракта гидроакустического комплекса корабля, включающий расчет априорных показателей надежности: интенсивности отказов вероятности безотказной работы времени жизни элементов аппаратуры в составе гидроакустического комплекса и использование апостериорных данных, полученных в процессе эксплуатации, с последующим перерасчетом показателей надежности, отличающийся тем, что на электрические входы каналов приемного тракта гидроакустического комплекса корабля в течение всего времени контроля подают тестовый электрический сигнал путем замера напряжения на выходе каждого канала приемного тракта и сравнения с предельно допустимой величиной в момент времени и разделенные фиксированным промежутком времени определяют количество отказавших элементов в момент времени и количество элементов, отказавших в момент времени , из общего количества элементов N, определяют количество исправных элементов на момент по формуле для каждого момента получают апостериорные показатели надежности путем расчета интенсивности отказов по формуле получают дискретный массив интенсивности отказов для всего времени наблюдения, производят аппроксимацию и экстраполяцию по формуле производят перерасчет показателей надежности с учетом реальной эксплуатации по формулам , где апостериорное время жизни является спрогнозированным временем до наступления отказа с вероятностью