Разработка методов и средств интеллектуализации измерении в задачах определения свойств технических объектов Малыхина, Галина Федоровна

Введение к работе

Актуальность темы работы. Современным направлением развития теории и практики информационно-измерительной техники является интеллектуализация измерений. Это обусловлено расширением и усложнением функций, выполняемых техническими системами и возросшей специализацией измерительных средств. Средства измерения, встроенные или интегрированные с объектом измерения, позволяют получать информацию в течение всего времени эксплуатации объекта или технологического процесса и при наличии собственных ресурсов (или ресурсов объекта измерения) осуществлять обработку получаемой измерительной информации.

" Дальнейшее .углубление специализации измерительных средств позволяет учитывать в- алгоритмах измерения модели измеряемых объектов внешних условий функционирования объектов и измерительных средств и на этой основе осуществлять переход к решению многоцелевых измерительных задач, которые включают, кроме измерения параметров объекта в количественных шкалах, обработку, накопление и классификацию измерительной информации и получение результатов в шкалах, согласованных с измеряемым свойством-объекта. Результатом измерения является значение компонент вектора параметров объекта, заключение о состоянии объекта, рекомендации по управлению или выработка автоматических управляющих воздействий. Применение классификационных моделей обработки данных служит основой интеллектуализации измерений в информационных и диагностических системах.

Спецификой измерения свойств технических объектов является высокая цена ошибочных решений, неправильных рекомендаций и недостаточной точности измерения параметров. К таким объектам относятся технологические процессы добычи и транспортировки нефти, системы силового и радиоэлектронного бортового оборудования. В связи с этим актуальной становится задача разработки измерительного подхода . к определению свойств технических объектов, отличающегося метрологической обоснованностью решений.

В современной теории измерений не разработаны методологические вопросы применения классификационных моделей при многомерных статистических измерениях, включакщие метода отбора

информативных признаков, выбора решающих правил, определения метрологических характеристик и способов их улучшения, не определены формы предстваления метрологических характеристик в многомерном пространстве измеряемых параметров. Перечисленные вопроси требуют специальной разработки и не могут быть решены с привлечением существующих методов теории решений, клвссификеции, распознавания. Методология определения свойств . объектов в качественных шкалах, построенная на показателях инструментальной достоверности, не позволяет решать ряд задач, связанных с анализом и синтезом процедур и алгоритмов принятия решений. Задачам интеллектуализации измерений отвечает разработка новой системы показателей и решение связанных с ней методических вопросов. Решение этих задач позволит расширить функциональные возможности и повысить эффективность измерительных и диагностических систем. Поэтому разработка методов интеллектуализации измерений на основе моделей классификации и принятия решений в задачах определения свойств технических объектов и разработка алгоритмических, программных и аппаратных средств интеллектуализации измерений является актуальной задачей создания современных информационно-измерительных и диагностичесих систем.

Цель работы. Работа посвящена теоретическому обобщению, разработке методологии, методов, алгоритмов и программных средств интеллектуализации измерений для решения задач определения свойств техішческих объектов с применением процедур принятия решений на примере технологических процессов добычи и транспортировки нефти, системы контроля бортового силового и радиоэлектронного оборудования.

Решение этой проблемы включает ряд связанных с ней задач:

1. Разработку математической модели интеллектуализации измерений в многомерных количественных шкалах с использованием процедур классификации.

2. Обоснование метода анализа метрологических свойств средств измерения, реализующих многомерные статистические измерения, ву.чтапщлв процедуры классификации.

3. Определение способов оптимизации процедур измерения в
многомерных количественных шкалах, включапдих отбор наиболее
информативных признаков и использование оптимальных

статистических оценок.

4. Обоснование семейства многомерны* распределений, его
применение в задачах интеллектуализации измерений и представления
метрологических характеристик в многомерном пространство.

5. Разработку метода идентификации распределений, принадлежащих.
этому семейству.

6. Обоснования математической модели интеллектуализации
измерений в номинальных и порядковых шкалах на основе допускового
контроля параметров.

7. Разработку системы показателей качества контроля состояния
объекта ня основе допускового контроля параметров и алгоритмов
многоиэраметрического контроля и опродолешіе слособов получения
их количественных оценок.

8. Разработку метода определения технического состояния
дискретного обгокта на основе функционального тестирования с
принятием решений по результатам реализации каждого теста.

9. Разработку способа измерения параметров двухфазных потоков и
ого реализацию в ИИС, предназначенных для контроля
технологических процессов добычи и транспортировки нефти.

10. Разработку автоматизированной системы анализа полетных
данных, идентификации моделей газотурбинного двигателя (ГТД) и
определения системы показателей качества контроля состояния
объекта.

11. Разработку системы функциональных тестов программируемого
процессора сигналов Ц200.

Методы исследования, используемые в данной работе для достижения поставленных целей, объединяются на основе системного подхода к рзшаемой проблеме. Используется аппарат, принципы и основные положения теории измерений, метрологии, теории вероятностей, математической статистики, функционального анализа, оптимальных решений, теории распознаваний образов, технической диагностики.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в разработке методологии, методов и алгоритмов интеллектуализации измерений свойств технических объектов на основе ігроцедур принятия решений в диагностических и информационно-измерительных системах, реализующих многомерные статистические измерения в количественных и качественных шкалах. Предложена система

s-

показателей точности и достоверности определения состояний объектов.

Основные научные результаты, выдвигаемые на защиту:

3. Предложена новая модель интеллектуализации измерений с переходом к многомерным количественным шкалам на основе процедур классификации.

4. Впервые сформулирован метод анализа в многомерном пространстве погрешностей, вносимых . классификационными процедурами в измерительный процесс.

3. Предложен метод уменьшения систематических погрешностей, обусловленных ошибочными решениями, основанный на квантильных оценках центров групп по априорному и по апостериорному распределению измеряемых параметров.

4. Сформулировали новый метод отбора классификационных признаков для задач интеллектуализации измерений в многомерных количественных шкалах, оптимизирующий потери от погрешностей измерения.

5. Впервые предложено семейство многомерных а-экспоненциальных распределений, ориентированных на задачи интеллектуализвции измерений, и метод идентификации распределений этого семейства, включающий построение многомерных сферических гистограмм преобразованных эмпирических данных.

6. Разаработана новая система показателей качества контроля технического состояния объекта, основанная на методической и результирующей достоверности допускового контроля.

7. Предложен новый подход к синтезу последовательности
функциональных тестов на основе показателей достоверности
определения состояния объекта.

. Практическую ценность представляют методики, алгоритмы и программы, построенные по методологии интеллектуализации измерений в задачах опрделения свойств технических объектов, которые включают:

1. алгоритм измерения относительной доли свободного газа в
потоке товарной нефти, программу измерения, выполненную на языке
Паскаль и Ассемблер для двух модификаций. измерительной системы
"Фактор";

2. алгоритм и программу измерения расхода компонентов
двухфазного потока и митодику определения метрологических

характеристик измерительной системы "Пульсар";

3. методики метрологической аттестации измерительной системи
"Фактор" и автоматизированную методику предварительных испытаний;

4. методику получения количественных характеристик системи показателей качества контроля состояния объекта;

5. автоматизированную систему анализа полетных данных, идентификации моделей ГТД и определения системы показателей качества контроля состояния объекта;

6. пакет функциональных тестов программируемого процессора сигналов.

Реализация результатов работы состоит в том, что созданы и внедрены под руководством и при непосредственном участии автора - алгоритм измерения относительной доли свободного газа в двухфазном потоке; программа измерения на языке Паскаль и на языка Ассемблера, реализованные в ШС "Фактор", и Методики аттестации КИС "Фактор", используемые в ЦШВДРТК при создании, предварительных испытаниях и аттестации системы;

- алгоритм и программа измерения и методика определения
метрологических характеристик ИИС "Пульсар" в ЦНИИРТК для
измерения расхода продукции нефтяных скЕакин;

- методика определения показателей достоверности и эффективности
контроля, автоматизированная система анализа полетных данных,
идентификации моделей и определения системы показателей
достоверности, внедренная в НШВС "Спектр" Холдинговой компании
"Ленинец";

- ситема функциональных тестов программируемого процессора
сигналов Ц-200, внедренная в НИИРЭК Холдинговой компании "Ленинец"

Диссертационная работа выполнялась в рамках пяти хоздоговорных НИР и одной ОКР под руководством или при непосредственном участии автора.

АгпгроОация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались в период с 1П75 по 1996 г.г. 17-ти Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях, совещаниях и семинарах в отраслевых институтах и вузах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, включая 11 статей в центральных изданиях, межотраслевых и межвузовских сборниках научных трудов, патент на изобретение и

3 пакета программ, включенных в Фонд алгоритмов и программ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 'шести глав', заключения, списка литературы из 225 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 287 страницах машинописного текста. Работа содержит 87 рисунков и J приложения.