ОТКАЗОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Область техники

19 August 2013 (19.08.2013) RU

Изобретение относится к области вычислительной и контрольно- измерительной техники и может использоваться в системах функционального диаг- ностирования, обеспечивающих локализацию отказов (поиска места отказа) в техни- ческих системах на основе информации о внешних проявлениях этих отказов.

Предшествующий уровень техники

Под функциональным диагностированием понимается процесс определения отказа и поиска места отказа на фоне естественных сигналов технической системы, т.е. когда система используется по назначению и на нее поступают рабочие (а не тес- товые) воздействия [Машиностроение. Энциклопедия. Т. Ш-7. Измерения, контроль, диагностика / Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение. 1996, с.404], [Ос- новы технической диагностики. Кн. 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагно- за / Под ред. П.П. Пархоменко. - М.: Энергия. 1976, с. 13].

Диагностирование технических систем включает, по крайней мере, две задачи:

- проверка правильности функционирования объекта;

- поиск неисправностей, т.е. указание мест и возможных причин отказов, при- ведших к нарушению работоспособности или к неправильному функционированию объекта.

В настоящем изобретении способ и устройство решают вторую из названных задач, а именно - поиск неисправностей.

Под неконтролируемыми отказами в изобретении понимаются отказы подсис- тем, блоков, модулей или элементов технической системы (далее - объекта диагно- стирования), которые не определяются непосредственно системами контроля (вклю- чая встроенные средства контроля). С позиций современной теории систем такие от- казы могут относиться как к наблюдаемым, т.е. обладающим потенциальной возмож- ностью их обнаружения, так и ненаблюдаемым, т.е. не имеющим такой потенциаль- ной возможности. В первом случае предлагаемые здесь способ и устройство дают указание на место отказа, а во втором - формируют решение о недостаточности рас- полагаемой информации для решения задачи локализации. Возникновение неконтролируемого отказа в системе может приводить к на- рушению ее работоспособности или нарушению правильности функционирования на всех либо отдельных режимах, а может и не приводить ни к каким проявлениям (на- пример, при резервировании отказавшего элемента). Таким образом, под задачей ло- кализации неконтролируемых отказов понимается поиск мест и возможных причин отказов по их внешним наблюдаемым проявлениям.

В настоящее время большинство способов поиска места отказов в технических объектах основано на использовании в качестве диагностических моделей так назы- ваемых логических или булевых моделей [Машиностроение. Энциклопедия. Т. Ш-7. Измерения, контроль, диагностика / Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машинострое- ние. 1996], [Основы технической диагностики. Кн. 1. Модели объектов, методы и ал- горитмы диагноза / Под ред. П.П. Пархоменко. - М.: Энергия. 1976], [Кол одежный Л.П., Чернодаров А.В. Надежность и техническая диагностика: учебник для слуша- телей и курсантов ВУЗов ВВС. - М.: Изд. ВВА им. Проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, 2010].

К числу логических методов распознания относятся и методы теории графов. Наиболее близким к заявленному устройству и способу его функционирования является устройство функционального диагностирования (УД), [Основы технической диагностики. Кн. 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / Под ред. П.П. Пархоменко. - М.: Энергия. 1976, с.38].

Объект диагностирования (ОД) представляет собой взаимосвязанную совокуп- ность частей (систем, подсистем, блоков, устройств, модулей, элементов), далее на- зываемых обобщенно элементами. При диагностировании ставится задача локализа- ции отказа, т.е. указание отказавшего элемента. ОД функционирует под воздействием поступающих на него входных сигналов и формирует на выходные сигналы, которые могут быть доступны или не доступны для непосредственного измерения. Объект ди- агностирования связан с устройством диагностирования (УД) через входящий в его состав блок связи (БС).

Техническое состояние ОД выражается вектором X, называемым вектором технического состояния ОД и содержащим п компонент в виде переменных величин

Xj , соответствующих техническому состоянию элементов ОД; здесь j - порядковый номер элемента из множества всех п элементов ОД. Число п называется размерностью вектора X. Принципиальной особенностью непосредственно неконтролируемых отка- зов ОД является недоступность его вектора технического состояния X для непосред- ственного измерения. Поэтому УД для осуществления диагностирования использует специально формируемую оценку Я этого вектора. Целью поиска отказов является выполнение равенства

Блок связи (БС) под воздействием блока управления (БУ) генерирует связи из- мерительного блока (ИБ) с непосредственно контролируемыми параметрами ОД, со- держащими как явную информацию Q о режиме функционирования ОД, так и неяв- ную информацию Z о техническом состоянии его элементов. Информация о режиме работы ОД передается в УД для выполнения соответствующих настроек его блоков. Входные и выходные сигналы ОД могут непосредственно входить или не входить в параметры Q и Z. При этом необязательно, чтобы все элементы ОД были доступны для непосредственного контроля ИБ. Измерительный блок ИБ является устройством функционального контроля и на основе заложенных в него методов (например, мето- дов допускового контроля) определяет работоспособность или неработоспособность некоторых (принципиально не всех) элементов ОД или их объединений. На выходе ИБ формируется вектор проявлений отказов Y. Кроме этого БС генерирует оценку Я вектора технического состояния X. УД содержит формализованную модель (ФМ) объекта диагностирования ОД, которая по оценке Я вектора технического состояния формирует оценку ? вектора проявлений отказов. При правильном задании оценки Я, т.е. при условии (1), что является целью поиска отказов, векторы измеренного и вы- численного проявлений отказов ОД должны совпадать:

Y = Y . (2)

Это контролируется блоком расшифровки результатов (БРР), который при выполне- нии указанного тождества формирует результаты диагностирования. В противном случае БРР передает команду БУ на корректировку оценки путем воздействия на

БС. При наличии обнаруженных отказов БРР выдает также команды на реконфигура- цию ОД. Это отображает связь между блоками БРР и ОД.

Для поиска места отказа для известных из уровня техники УД используют прямую логическую модель (ПЛМ), описывающую зависимость проявления отказов (распространение влияния и наблюдаемые отклонения от нормального функциониро- вания) от места и характера отказов в системе. В этом случае устройство диагности- рования содержит: блок управления БУ, измерительный блок ИБ, прямую логиче- скуга модель ПЛМ, блок расшифровки результатов БРР.

Кроме того, используют обратную логическую модель (ОЛМ), описывающую зависимость возможных отказов (их место в системе и характер) от проявления отка- зов. При использовании ОЛМ объем вычислений существенно сокращается. При ис- пользовании ОЛМ УД содержит: блок управления БУ, блок связи БС, измерительный блок ИБ, блок расшифровки результатов БРР и ОЛМ. Обычно ПЛМ и ОЛМ исполь- зуются в различных функциональных схемах по отдельности.

Для формального описания работы логических моделей и других блоков ис- пользуются логические операторы И, ИЛИ, НЕ.

Известные способы и устройства имеют существенные ограничения:

1) Использование для локализации отказов УД на основе ПЛМ приводит к большому объему вычислительных затрат, в то время как использование устройства диагностирования на основе ОЛМ не позволяет сформулировать корректное решение из-за неоднозначности получаемых результатов.

2) Часто для простоты реализации УД вводят допущение о маловероятное™ одновременного отказа двух и более элементов. В этом случае количество переборов в УД на основе ПЛМ уменьшается до п (где п - размерность вектора X, т.е. количест- во элементов ОД, техническое состояние которых требуется определить). Такое же допущение может применяться при построении УД на основе обратной логической модели. Однако в этом случае при одновременном возникновении двух и более отка- зов УД может неверно определять отказавшие элементы.

Вместе с тем опыт показывает, что множественные отказы в технических сис- темах не являются редкими, и из-за практической невозможности оперативного уст- ранения того или иного отказа приходится иметь дело с накоплением в технической системе как однородных, так и разнородных отказов.

3) Общий недостаток существующих способов диагностирования связан с ог- раниченностью используемой ими булевой алгебры, которая на каждом шагу вычис- лений вынуждает относить рассматриваемые элементы объекта диагностирования ОД только либо к исправным, либо к неисправным. Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача улучшения технико- эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который получен при осуществлении изобретения, - повышение оперативности, глубины и достоверности диагностирования технического состояния объектов высокой сложности.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического ре- зультата способ локализации неконтролируемых множественных отказов техниче- ских систем заключается в том, что принимают сигналы от объекта диагностирова- ния, с учетом информации о внутренних связях объекта диагностирования преобра- зуют эти сигналы в вектор начальных оценок технического состояния элементов объ- екта диагностирования, уточняют оценки технического состояния элементов объекта диагностирования посредством циклического процесса и использования формализо- ванных моделей объекта диагностирования в обратном и прямом времени, при этом, поочередно используя в качестве формализованных моделей объекта диагностирова- ния обратную логическую модель и прямую логическую модель, в циклическом про- цессе формируют оценку вектора технического состояния, при завершении цикличе- ского процесса по переменным компонентам которой судят о техническом состоянии элементов объекта диагностирования.

Возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором целе- сообразно, чтобы в качестве обратной логической модели и прямой логической моде- ли использовали обратную логическую триплексную модель и прямую логическую триплексную модель, соответственно, у которых переменные принимают одно из трех значений

0 - соответствующий элемент объекта диагностирования определенно работо- способен,

1 - соответствующий элемент объекта диагностирования определенно нерабо- тоспособен,

* - о работоспособности соответствующего элемента объекта диагностирова- ния нельзя сделать однозначное заключение,

соответственно переменным компонентам вектора начальных оценок техниче- ского состояния элементов объекта диагностирования присваиваются триплексные значения «работоспособен», «не работоспособен», «состояние не определено», б

после завершения циклического процесса уточнения оценок судят о техниче- ском состоянии элементов объекта диагностирования

работоспособен, если соответствующая переменная компонента оценки векто- ра технического состояния равна «0»,

неработоспособен, если соответствующая переменная компонента оценки век- тора технического состояния равна «1 »,

локализация отказа объекта диагностики невозможна, если соответствующая переменная компонента вектора оценки равна «*».

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического ре- зультата устройство локализации неконтролируемых множественных отказов техни- ческих систем содержит блок связи, два входа которого служат для подсоединения к двум выходам данных объекта диагностики, измерительный блок, блок формирова- ния начальной оценки, блок коммутации, формализованную модель, вьшолненную из обратной логической триплексной модели и прямой логической триплексной модели, блок расшифровки результатов и блок управления, выход блока связи подсоединен к входу измерительного блока, а его выход - к входу блока формирования начальной оценки, первый выход блока формирования начальной оценки подсоединен к перво- му входу блока коммутации, а его второй выход - ко второму входу блока коммута- ции, первый выход блока коммутации подсоединен к входу обратной логической триплексной модели, а его второй выход - к входу прямой логической триплексной модели, выход обратной логической триплексной модели подсоединен к третьему входу блока коммутации, а выход прямой логической триплексной модели к четвер- тому входу блока коммутации, третий выход блока коммутации подсоединен к входу блока расшифровки результатов, первый выход которого подсоединен к входу блока управления, а второй выход служит для отображения данных результатов диагности- рования, выход блока управления подсоединен к управляющему входу блока связи.

Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целе- сообразно, чтобы блок расшифровки результатов был снабжен третьим выходом, ко- торый служит для подсоединения к управляющему входу объекта диагностирования.

Основным существенным отличием изобретения по сравнению с аналогами является поочередное использование обратной и прямой логических моделей. Ис- пользование обратной логической модели позволяет существенно сократить вычис- лительные или аппаратные затраты, а использование прямой логической модели - преодолеть неоднозначность получаемых результатов.

Новые возможности для диагностирования, используемые в изобретении, от- крываются при переходе к триплексным переменным, позволяющим разделить все элементы объекта диагностирования ОД на три категории: работоспособные, нерабо- тоспособные и такие, в отношении работоспособности которых вообще или пока не- возможно сформулировать однозначное утверждение. Использование триплексного описания технического состояния объекта диагностирования ОД составляет другое существенное отличие предлагаемого изобретения от аналогов.

За основу берется известный способ локализации неконтролируемых отказов технических объектов, который заключается в том, что сначала определяют состояние доступных для непосредственного контроля элементов объекта диагностирования пу- тем обработки сигналов этих элементов. Затем на основе информации о состоянии непосредственно контролируемых частей и о внутренних связях объекта диагности- рования определяют состояние остальных, т.е. непосредственно неконтролируемых элементов объекта диагностирования. В настоящем изобретении вместо переменных булевой алгебры для формального описания технического состояния всех элементов объекта диагностирования используют триплексные переменные со значениями «ра- ботоспособен», «не работоспособен», «состояние не определено». На основе инфор- мации о работоспособности непосредственно контролируемых элементов формируют начальные оценки технического состояния всех элементов объекта диагностирования. Затем для уточнения оценок технического состояния элементов объекта диагностиро- вания, принимающих значение «состояние не определено», используют циклические процессы, в которых чередуют использование прямой и обратной логических трип- лексных моделей объекта диагностирования. При этом результаты диагностирования формируют и выдают в терминах указанных триплексных переменных. Кроме того, в качестве правила окончания циклических процессов уточнения оценок технического состояния элементов объекта диагностирования используют либо исчерпание задан- ного числа циклов, либо прекращение изменения циклически уточняемых оценок.

Указанные преимущества изобретения, а так же его особенности поясняются с помощью лучшего варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры. Краткий перечень чертежей

Фигура 1 изображает функциональную схему устройства диагностирования (УД) ближайшего аналога;

Фиг. 2 - то же, что фиг. 1, УД на основе прямой логической модели;

Фиг. 3 - то же, что фиг. 1 , УД на основе обратной логической модели;

Фиг. 4 - функциональную схему устройства локализации неконтролируемых множественных отказов технических систем (УЛО) согласно настоящему изобрете- нию;

Фиг. 5 - таблицу арифметики прямой логики;

Фиг. 6 - таблицу арифметики обратной логики;

Фиг. 7 - смешанный направленный граф.

Лучший вариант осуществления изобретения

Поскольку способ реализуется при помощи работы устройства (фиг. 4), то полное его описание приведено в разделе пояснения работы этого устройства.

Устройство (фиг. 4) локализации неконтролируемых множественных отказов технических систем (УЛО) содержит блок 1 связи (БС), два входа которого служат для подсоединения к двум выходам данных объекта 2 диагностики (ОД). Устройство также содержит измерительный блок 3 (ИБ), блок 4 формирования начальной оценки (БФНО), блок 5 коммутации (К), формализованную модель, выполненную из обрат- ной логической триплексной модели 6 (ОЛТМ) и прямой логической триплексной модели 7 (ПЛТМ), блок 8 расшифровки результатов (БРР) и блок 9 управления (БУ). Выход блока связи подсоединен к входу ИБ 3, а выход ИБ 3 - к входу блока 4 форми- рования начальной оценки. Первый выход БФНО 4 подсоединен к первому входу К 5, а его второй выход - к второму входу К 5. Первый выход К 5 подсоединен к входу ОЛТМ 6, а его второй выход - к входу ПЛТМ 7. Выход ОЛТМ б подсоединен к третьему входу блока 5 коммутации, а выход ПЛТМ 4 к четвертому входу К 5. Третий выход К 5 подсоединен к входу БРР 8, первый выход которого подсоединен к входу БУ 9, а второй выход служит для отображения данных результатов диагностирования. Выход БУ 9 подсоединен к управляющему входу блока 1 связи.

Кроме того, БРР 8 может быть снабжен третьим выходом, который служит для подсоединения к управляющему входу ОД 2.

Работает устройство (фиг. 4) следующим образом. На входы БС 1 УЛО, из ОД 2 подаются сигналы Q, содержащие явную инфор- мацию о режиме функционирования ОД 2, и сигналы Z, содержащие неявную инфор- мацию о техническом состоянии элементов ОД 2. Процесс диагностирования носит циклический характер. Каждый цикл начинается с того, что БС 1 в соответствии с ко- мандами, поступающими из БУ 9, и сигналами Q передает выборочно сигналы Z в ИБ 3, который в свою очередь преобразует их в сигналы, соответствующие вектору про- явлений отказов Y в текущем цикле, и передает их в БФНО 4. В этом блоке 4 форми- руются сигналы, соответствующие начальному значению оценки вектора техническо- го состояния объекта диагностирования. Из БФНО 4 сигналы передаются в блок 5 коммутации, который анализирует результаты работы логических триплексных моде- лей ОЛТМ 6 и ПЛТМ 7 (для этого предусмотрены обратные связи выходов от ОЛТМ и ПЛТМ на третий и четвертый вход К 5). В зависимости от результата анализа К 5 подсоединяет одну из этих моделей и подает на ее вход сигналы, соответствующих текущему значению оценки ехнического состояния ОД 2 (здесь к - номер текущего такта цикла диагностирования), или же подает на БРР 8 сигналы, соответствующие окончательной оценке X(h) технического состояния ОД 2 (здесь h— номер последне- го такта цикла диагностирования). БРР 8 с первого выхода подает сигналы в БУ 9 для управления циклами процесса диагностирования, со второго выхода выдает результат диагностирования в виде сигналов, соответствующих полученной оценке техниче- ского состояния ОД 2. С третьего выхода БРР 8 в ОД 2 могут поступать сигналы для осуществления реконфигурации ОД 2, если это предусмотрено решаемой задачей.

Теоретические основы предлагаемого изобретения опираются на теорию сме- шанных направленных графов с двумя логическими операторами OR (ИЛИ) и AND (И), здесь для обозначения операторов используются только прописные буквы.

Каждая часть объекта диагностирования, рассматриваемая с позиции анализа отказов как самостоятельная, представляет собой подсистему, узел или элемент, и может иметь свой собственный кортеж входной и выходной логики, представленной операторами «ИЛИ» и «И».

Обратим внимание на то, что в заявленном техническом решении значимость придается двум противоположно направленным процессам: это, во-первых, опреде- ление последствий или проявлений, к которым могут привести отказы системы, и, во- вторых, локализация отказов, т.е. поиск причины неправильного функционирования системы. Эти процессы обеспечиваются прямой и обратной логиками соответственно. Процесс распространения влияния отказа в объекте диагностирования ОД 2 с триплексным описанием происходит в соответствии с правилами логики прямого анализа такого процесса, представленными на фигуре 5. Этот процесс соответствует распространению влияния отказов (неправильного функционирования) от места за- рождения к другим частям и системам вплоть до их проявления.

Здесь и далее на фигурах 5 и б «О» обозначает отсутствие отказа, «1 » обознача- ет наличие отказа, его проявление или влияние, «*» обозначает неопределенное со- стояние, строчные буквы «i» и «о» используются для обозначения операторов, отно- сящихся ко входу и выходу элементов ОД 2, соответственно. Введенные на фигуре 5 символы имеют следующие наименования:

ORi - оператор «ИЛИ» на входе элемента,

ANDi - оператор «И» на входе элемента,

ORo - оператор «ИЛИ» на выходе элемента,

ANDo - оператор «И» на выходе элемента.

Заметим, в двух последних строках таблицы (фиг. 5) отсутствуют (зачеркнуты) некоторые комбинации, т.е. соответствующие формулы не существуют по определе- нию, а указанные комбинации противоречат определению соответствующего опера- тора «ИЛИ» или «И».

Логика обратного анализа соответствует тому, что могло бы быть на входе элемента при известном его выходе. Это соответствует направлению процесса лока- лизации (поиска) отказа, начиная от его проявления. Результаты обращения формул, приведенных на фигуре 5, представлены на фигуре 6, здесь дополнительно строчной буквой «г» обозначен оператор, полученный после обращения.

В фигуре 6 фоном серого цвета выделены ячейки, порождающие размножение вариантов. Каждый раз при возникновении такой ситуации происходит ветвление яв- но здесь не вычисляемого «дерева отказов». Так, при анализе в обратном направлении (обращение) можно утверждать, что наличие единицы на выходе логического опера- тора OR может быть соотнесено с наличием единиц на обоих его входах или одной единицы на любом из них.

Отсутствие некоторых формул в таблице на фигуре 5 приводит к тому, что в соответствующих ячейках таблицы фигуры 6 возникают конфликтные (или противо- речивые) ситуации. Эти ячейки содержат слово «конфликт». При возникновении конфликта вся предполагаемая ветвь (гипотеза) до ближайшего по тактам ветвления должна сниматься как недопустимая по используемой логике.

Моделирование отказов.

В настоящем изобретении предполагается, что для любого реального объекта 2 диагностирования, на основе результатов его анализа, может быть составлен направ- ленный смешанный граф развития и проявления отказов этого ОД 2.

На фигуре 7, в качестве примера, показан методический направленный сме- шанный граф для гипотетического ОД 2 с шестью вершинами (которые представляют собой элементы объекта 2 диагностирования). При этом какие-то вершины такого графа могут представлять собой элементы с возможными отказами, какие-то - внут- ренние процессы, а какие-то - проявления этих отказов. Таким образом, где вход, а где выход определяется только порядковыми номерами вершин. Например, вершины 1 и 3 - элементы системы, которые могут содержать отказы, а вершины 2 и 5 - эле- менты системы, на которых проявляются (могут быть обнаружены, зафиксированы) эти отказы, соответственно вершины 4 и 6 - некоторые внутренние элементы, не от- носящиеся ни к тому, ни к другому типу, а обеспечивающие представление логики исследуемых процессов. Для реализации логического оператора ORo дополнительно указывают правило предпочтения выходов (детерминированное предписание или случайное распределение).

Для упрощения формализации решений используется матричная запись. Вве- дем обозначения: - триплексное значение у-й компоненты состояния (верши- ны) графа в начале очередного к-то такта (X _j = 0 - отсутствие отказа j-ro элемента, X _j = 1 - наличие, влияние или проявление отказа j-ro элемента, X _j —*- неопределенное состояние j-ro элемента), х _} (к + 1) - триплексное значение j-и компоненты состоя- ния (вершины) графа после очередного k-го такта, верхний индекс - символ логиче- ского оператора на входе вершины графа (например, ^0Rl - указание на оператор ИЛИ на входе элемента) нижний индекс - символ логического оператора на его вы- ходе (например, Х к ₀ - указание на оператор ИЛИ на выходе элемента). Порядковый номер j каждой компоненты шифрует физическое содержание и принадлежность к категории: отказ, проявление или внутренняя переменная. Кроме того, полагается, что структура связей (ребра) графа на фигуре 7 не содержит неопределенностей. Тогда графу на фигуре 7 эквивалентна формула

где элементы матрицы коэффициентов представлены только нулями и единицами.

Символы логических операторов на входе и выходе вершин относятся соответ- ственно к строкам и столбцам матрицы бинарных коэффициентов. На этом основании перепишем формулу (3) в виде

DM

где для матрицы бинарных коэффициентов введено обобщенное обозначение DM.

Модель вида (4) является прямой логической триплексной моделью (ПЛТМ), а матрица коэффициентов - матрицей прямой зависимости DM (Dependency Matrix). Принципиальная особенность этой матрицы, как и смешанного графа (в данном слу- чае показанного на фигуре 7), заключается в закреплении за строками и столбцами конкретных логических операторов.

Правила работы с DM таковы. Все операции ее умножения на вектор X, запи- санный справа, выполняются как обычно, но с двумя дополнительными условиями:

1. В зависимости от оператора на выходе соответствующей вершины графа,

(например, фиг. 7 оператор записан под соответствующим столбцом) реализуется вы- ходная логика каждой предшествующей вершины (см. фигуру 5 для операторов ANDo и ORo). У оператора ANDo все единицы этого столбца равнозначны и соответ- ствуют единице, а у оператора ORo рассматриваются различные варианты, когда одна из единиц равна единице, а другая - нулю, и, наоборот, (по логике, предусмотренной в графе, например, на фиг. 7).

2. В зависимости от оператора на входе соответствующей вершины (оператор записан левее соответствующей строки) реализуется входная логика вершины (см. фигуру 5 для операторов для ANDi и ORi). У оператора AND единица получается только в случае, если оба слагаемых (полученных с учетом значений элементов столбца х(к) и операторов ANDo, ORo) равны единице, а у оператора OR - в случае, если хоть одно слагаемое (полученное аналогичным путем) равно единице.

Помимо матрицы прямой зависимости DM вводится еще одна бинарная мат- рица, которая является матрицей выходов ЕМ (Exit Matrix). Умножение вектора тех- нического состояния X слева на такую матрицу позволяет выделить из всех элементов объекта диагностирования ОД 2 только те элементы (или в общем случае их комби- нации), которые соответствуют наблюдаемым проявлениям отказов. Данную матрицу реализует измерительный блок 3 (фиг. 4). Для рассматриваемого методического при- мера матрица выходов определяется равенствами

где yi(k) - 1-я компонента вектора проявлений отказов Y на к-м такте цикла диагно- стирования, общее число компонент равно т.

Окончательно многомерная модель распространения влияния в объекте отказ- ных состояний может быть описана следующими уравнениями:

Х(к + 1) = DMX(k) + Х(0) , (6)

Y(k) = EMX(k) , (7) где ^ (0) - возникновение отказов в условный момент времени 0. Уравнение (6) описывает обобщенное развитие влияния отказов от вершины к вершине (от элемента к элементу ОД 2), уравнение (4) - проявление отказов (на неко- торых элементах ОД 2, что соответствует физической природе ОД 2). '

Конкретная модель адекватна процессу развития отказов в реальной системе, что опирается на формализованные описания систем, мнение экспертов и результаты полунатурных экспериментов. После подтверждения достоверности переходят к сле- дующему этапу, т.е. этапу локализации отказов.

Локализация (поиск отказов. В данном техническом решении априорно пола- гается, что отказы могут быть как простые (одиночные), так и сложные (множествен- ные). Единственное вводимое здесь ограничение связано с тем, что отказы не изме- няются за время одного полного цикла процесса их локализации.

Процедура обратных преобразований введенной выше модели, уравнения (6) и (7), состоит из нескольких этапов.

Предполагается, что измерительный блок ИБ 3 правильно определяет вектор наблюдаемых проявлений отказов Y(0) в момент времени 0, соответствующий началу очередного цикла локализации.

Этап JSs 1. По вектору наблюдаемых проявлений отказов Y(0) формируется оценка ( ) всего вектора технического состояния Х( ) системы (логические пе- ременные всех вершин смешанного графа) в момент времени 0, соответствующий на- чалу очередного цикла локализации. При этом элементам вектора ^(0) присваива- ются следующие значения: «0» - соответствующий элемент достоверно работоспосо- бен; «1 » - соответствующий элемент достоверно неработоспособен; «*» - неопреде- ленный элемент, работоспособность которого невозможно оценить по наблюдаемому проявлению отказов.

Такая процедура определяет все множество решений уравнения

Γ(σ) = ΕΜ· Χ(α) , т < п , (8) относительно вектора . Здесь и далее Υ(0) - вектор проявлений отказов с т компонентами, ^(0) - вектор технического состояния элементов ОД 2 с и компо- нентами, ЕМ - бинарная матрица с т строками п столбцами, точкой в середине стро- ки отмечена операция матричного умножения.

В общем случае решение уравнения (8) определяется формулой {Χ(0}} _μ = EM - 7(0) + EM* · μ, (9) где фигурными скобками обозначено множество неразличимых решений, порождае- мое варьированием вектора μ с произвольными элементами. В формуле (9) μ - век- тор, число элементов которого равно п— rankEM , т.е. числу линейно зависимых строк матрицы ЕМ; ЕМ - канонизатор матрицы ЕМ, т.е. такая матрица, при которой выполняется тождество ЕМ = ЕМ · ЕМ · ЕМ; ЕМ ^Л - правый делитель нуля матри- цы ЕМ максимального ранга, т.е. такая матрица размера п х (и - rankEM) , для кото- рой выполняется условие EM * EM ^R = 0.

Канонизатор ЕМ в рассматриваемых задачах (все элементы матрицы ЕМ пред- ставлены только нулями и единицами, а сама матрица имеет максимальный строчеч- ный ранг) равен транспонированному значению исходной матрицы: ЕМ = {ΈΜ) ^Τ . Таким образом, результирующая формула имеет вид

{Χ(0)} _μ = (ΈΜ) ^Ύ Υ(0) + ΈΜ ^Κ μ , (10) а все элементы вектора μ в дальнейшем представлены звездочками * (неопределен- ность состояния).

Этап М 2. На основе известной матрицы DM, а точнее, ее инверсии rDM (ге- verse Dependency Matrix), в обратной последовательности распространения влияния отказов уточняются элементы вектора X, помеченные «*», т.е. однозначно неопреде- ленные.

Транспонированием (взаимной заменой элементов строк и столбцов, включая совокупности логических операторов) и заменой исходных операторов их инверсия- ми (использованием логики обратного анализа) получаем из уравнения (4) рекур- рентное соотношение для обратного времени:

^" х, (τ + 1) ^" rORo ^" 0 1 0 0 0 1 ^{" "χ} , (τ) ^' х ₂ (τ + 1) rANDo 0 0 1 0 0 1 χ ₂ (τ) χ ₃ (τ + 1) rANDo 1 0 0 1 0 0 χ ₃ (τ) χ ₄ (τ + 1) = rORo 1 0 1 0 1 0 ^χ ₄ (τ) χ ₅ (τ + ϊ) rORo 0 0 0 0 0 0 χ ₅ (τ)

_χ ₆ (τ + 1)_ rORo 0 0 0 1 1 0 χ ₆ ( ^τ λ

rORi rORi rANDi rANDi rORi rANDi где τ = 0, 1, 2,... - номер такта обратного времени (из настоящего в прошлое).

Модель вида (1 1) является обратной логической триплексной моделью (ОЛТМ), а матрица коэффициентов - матрицей обратной зависимости rDM.

Правила работы с rDM аналогичны описанным выше правилам с учетом двух обстоятельств:

1. Теперь варианты решений порождают операторы rORi и rANDi (там, где две единицы в столбце) в соответствии с фигурой 6. Это альтернативные варианты (гипо- тезы) предыстории развития отказов, подлежащие дальнейшему анализу. После каж- дого прохождения такого оператора требуется утраивать число анализируемых вари- антов, поскольку число возможных значений переменных равно трем (0, 1, *).

2. При вычислении значений возможны указанные на фигуре 6 конфликты, от- носящиеся к разным строкам. Тогда соответствующие гипотезы о предыстории разви- тия отказов снимаются.

Здесь первое обстоятельство определяет правило ветвления «дерева отказов», а второе - исключает неперспективные (противоречащие логике объекта диагностиро- вания) ветви.

Обобщенно итерационную процедуру локализации отказов с выполнением об- ратньгх шагов можно записать формулой χ(τ) = rDM ' (^m (... (rm(EM ^J Y(o + m ^R ) j. (12)

Число тактов τ цикла выбирается из условия либо прекращения деформации (изменения) вектора состояний Х(х + 1) = Х(х) , либо ограничения некоторым значе- нием X = Т _тах . Упрощенная структурная схема процесса (работы УЛО, фиг. 4), реа- лизующего итерационную процедуру локализации отказов, приведена ниже.

Этап Л° 3. На возможные места достоверных отказов указывают получающие- ся единичные значения компонент оценки Я вектора технического состояния. Нали- чие нулевых элементов указывает на достоверно работоспособные элементы ОД 2. Наличие звездочек * указывает на те элементы ОД 2 (модули, блоки, устройства, под- системы), по которым на основе располагаемой информации о проявлении отказов и о структуре объекта не может быть сформулировано категорическое утверждение об отказе или исправности. В этом проявляется присущая ОД 2 неполнота контроля (объективное свойство ОД 2).

Таким образом, техническое состояние объекта 2 диагностирования ОД полно- стью определяется вектором X , т.е. имеющего только булевы элементы («0» - эле- мент работоспособен, «1 » - отказ элемента). УЛО связано с объектом 2 диагностиро- вания с помощью блока связи БС 1. Измерительный блок ИБ 3 контролирует по за- данному методу контроля техническое состояние определенных элементов объекта диагностирования Y в некоторый момент времени, условно здесь называемый на- чальным, и формирует вектор наблюдаемых проявлений отказов 7(0) для этого мо- мента времени. На основе информации об 7(0) в блоке формирования начальной оценки БФНО 4 формируется начальная оценка вектора состояния -?(0), которая яв- ляется триплексной. Конкретные позиции возникновения неопределенностей в соот- ветствии с формулами (9), (10) определяются структурой делителей нуля матрицы выходов ЕМ, т.е. априорной информацией о структурных особенностях ОД 2.

Устройство работает циклически. После получения информации Х(0) от БФНО

4 начинается цикл уточнения неопределенных компонент оценки вектора техническо- го состояния , Новая информация от БФНО 4 формирователя начальной оценки не принимается, пока не закончатся вычисления данного цикла.

В дальнейшем для уточнения значения вектора технического состояния X ис- пользуется одна из логических триплексных моделей ОТЛМ или ПТЛМ по командам К 5. Результаты диагноза представляются по второму выходу БРР 8.

Использование прямой модели ПТЛМ происходит лишь в случае, если очеред- ной уточняемый элемент равен «*», т.е. остается неопределенным. В этом случае ис- пользование ОТЛМ 6 не продуктивно - см. фигуру 6: обратный переход от выхода со значением «*» всегда приводит к неопределенности входов, т.е. размножению неоп- ределенности в системе. При этом прямая модель ПТЛМ 7 используется не полно- стью, а только в той ее части, которая соответствует уточняемой компоненте, т.е. ее одна строка. Во всех остальных случаях используется только ОТЛМ 6. Это позволяет существенно сократить объем вычислений.

Условие останова выполняется, если Х(к) = Х к - 1) или выполнено 2п и бо- лее шагов. Таким образом, количество итераций не превышает 2л, где п - число диаг- ностируемых элементов ОД 2. Технический результат - оперативность в заявленном решении обеспечивается тем, что при всей сложности физических процессов, реально протекающих в ОД 2, способ и устройство локализации отказов оперируют исключительно с логическими переменными, а простота используемых алгебраических правил позволяет вести об- работку информации в существенно ускоренном времени. В результате можно дос- тичь получения результатов диагностирования почти в реальном времени.

Глубина обеспечивается использованием (формальным отражением) в приме- няемых логических триплексных моделях практически всех (всех значимых или всех известных) внутренних связей ОД 2, что позволяет с приемлемой тщательностью учесть реально существующие взаимовлияния его частей, под которыми в зависимо- сти от контекста могут пониматься элементы, модули, блоки, устройства или подсис- темы.

Достоверность обеспечивается триплексным описанием технического состоя- ния контролируемых частей объекта диагностирования. В детерминированной поста- новке (т.е. без учета действия случайных факторов) это позволяет строго разделить все его части на две группы с однозначным определением их работоспособности и одну группу, объединяющую те части объекта диагностирования, для которых объек- тивно невозможно однозначное определение технического состояния.

Возможность обнаружения множественных отказов обеспечивается избира- тельным чередованием обратной и прямой логических триплексных моделей, позво- ляющим достичь цель диагностирования без опоры на упрощающее предположение о единственности отказа.

Кроме того, явное указание, получаемое в результате применения предлагае- мого изобретения, на наличие и расположение тех частей объекта диагностирования, для которых не может быть сформулировано однозначное суждение о техническом состоянии, предоставляет уникальную возможность для дальнейшего совершенство- вания объекта диагностирования, в смысле достижения более глубокого его контроля, путем как введения дополнительных точек контроля его частей, так и наращивания внутренних связей (комплексирования) этих частей.

' Промышленная применимость

Наиболее успешно заявленные способ локализации неконтролируемых множе- ственных отказов технических систем и устройство для его реализации промышлен- но применимы в системах функционального диагностирования сложных технических объектов с целью локализации отказов в реальном масштабе времени на фоне естест- венных сигналов, а также в процессах проектирования сложных технических систем в целом и подсистем их функционального диагностирования в частности.