Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке системы диагностики текущего состояния сложного динамического объекта на базе нечеткой логики с использованием параметров имитационной модели.
Актуальность работы. Диагностика неисправностей в функционирующих сложных динамических объектах и системах является известной проблемой. К сложным объектам может быть отнесено большое число объектов разной природы. Для этих объектов характерно отсутствие достаточно полного математического описания, ограниченное число регистрируемых координат, большая размерность, нелинейность статических характеристик, параллельность структуры, отсутствие описания динамических свойств. Часто бывает, что имеющихся параметров объекта явно недостаточно для диагностики. Для диагностики подобных объектов используются различные подходы, базирующиеся на методах искусственного интеллекта. В основу этих методов закладывается знания и опыт экспертов, анализирующих текущее состояние объекта по виду наблюдаемых переходных процессов. Причем эти знания могут быть как на уровне интуиции, а так же и в виде формализованных признаков. При этом большое распространение получили мягкие вычисления. Однако в случае недостатка формализованных признаков эти подходы оказываются малоэффективными, а в случае избыточности повышается размерность, а эффективность тоже падает из-за того, что области изменения параметров для многих неисправностей оказываются пересекающимися. Подобная ситуация характерна для объектов параллельной структуры, когда в переходных процессах наблюдается суммарное проявление параллельно работающих компонент объекта. Примерами таких объектов могут выступать как технические, так и некоторые биологические объекты. Так входные и выходные контролируемые параметры газа компрессорного цеха с параллельно работающими компрессорами в стационарном режиме не позволяют оценить текущее техническое состояние каждого конкретного компрессора. Пока такая оценка делается расчетным путем и далека от совершенства. Сейчас делаются попытки провести диагностику текущего состояния компрессора путем анализа переходных процессов в режиме запуска его в работу. Примером биологического объекта служит сетчатка человеческого глаза, которая может быть представлена в виде динамического объекта с параллельной структурой, определяемой клеточным строением сетчатки. Диагностика патологий (неисправностей) сетчатки производится по характерным точкам переходного процесса или электроретинограммы (ЭРГ) в ответ на воздействие светового импульса. В ЭРГ так же регистрируется суммарный отклик всех параллельных слоев сетчатки, вклад каждого из которых зафиксировать технически невозможно. По виду этой суммарной реакции сложно определить вклад каждого слоя и соответственно состояние этих слоев.
В связи с этим является актуальным вопрос построения имитационных моделей динамических объектов параллельной структуры, достаточно точно воспроизводящих наблюдаемый процесс на выходе объекта. Значения параметров таких моделей могут служить дополнительными признаками, используемыми для функционирования диагностической системы с целью повышения эффективности ее работы.
В данной работе под диагностическими системами подразумеваются системы, использующие для своего функционирования формализованные признаки, характеризующие состояние объекта, и математические описания реакции диагностируемого объекта на определенные входные воздействия. Предполагается ограниченное число возможных неисправностей (патологий) и их сочетаний. В такой постановке подобные диагностические системы оказываются эффективными в применении, как для технических объектов, так и для медицины.
Поэтому актуальным является разработка методов построения диагностической системы на базе нечеткой логики с использованием имитационной модели, позволяющей расширить базу диагностических признаков для повышения эффективности диагностики и разработка методики выделения групп признаков, позволяющих выявлять те или иные виды неисправностей (патологий), не увеличивая чрезмерно размерность диагностической системы.
Цель диссертационной работы – разработка общих принципов создания системы диагностики текущего состояния сложного динамического объекта параллельной структуры по характерным точкам (признакам) наблюдаемого общего переходного процесса на базе нечеткой логики и с использованием параметров подстраиваемой имитационной модели такого объекта
Задачи исследования:
-
Анализ возможностей реализации и выработка требований и основных подходов к построению систем диагностики для оценки текущего состояния сложных динамических объектов с параллельной структурой по наблюдаемому общему переходному процессу.
-
Исследование эффективности и качества функционирования диагностической системы на базе нечеткого логического вывода для оценки текущего состояния сложного динамического объекта с параллельной структурой с использованием в качестве характерных признаков определенного, ограниченного числа точек наблюдаемого общего переходного процесса.
-
Анализ возможных подходов и построение динамической модели объекта параллельной структуры, имитирующей с определенной точностью наблюдаемый общий переходный процесс на выходе реального объекта, с целью получения дополнительных признаков текущего состояния неконтролируемых компонент этого реального объекта.
-
Исследование эффективности и качества диагностических систем на базе нечеткого логического вывода для оценки текущего состояния сложного динамического объекта параллельной структуры с различными сочетаниями и количествами используемых характерных признаков, извлекаемых как из наблюдаемого общего переходного процесса, так и в виде параметров имитационной модели объекта.
Научная новизна:
1. Разработан принцип диагностики сложного динамического объекта параллельной структуры на основе нечеткой логики с использованием параметров имитационной модели объекта, расширяющей базу формализованных признаков.
2. Предложена и обоснована структура диагностической системы в виде одновременно действующих групп (ансамблей) частных подсистем с ограниченным числом признаков, ориентированных на выявление определенных видов неисправностей (дефектов, патологий) объектов.
Достоверность и обоснованность научных результатов и положений диссертации подтверждается их совпадением с результатами имитационного моделирования и натурных экспериментов.
Практическая значимость результатов
1. Разработана имитационная динамическая модель суммарной биоэлектрической активности сетчатки, в виде динамического объекта параллельной структуры, параметры которой определяются по результатам подстройки переходного процесса на выходе модели под вид реакции объекта на схожие тестовые воздействия.
2. Построен прототип диагностической системы патологий сетчатки глаза по результатам электроретинографических исследований, базирующийся на нечетком логическом выводе и использующий параметры имитационной динамической модели сетчатки в качестве дополнительных признаков.
Реализация результатов
Участие в грантах Российского фонда фундаментальных исследований:
«Исследование и разработка методов и моделей диагностики сложных проблемных ситуаций на основе методов искусственного интеллекта» (проект 07-01-00762).
«Методы диагностики объектов и систем сложной структуры с использованием параметров имитационных моделей» (проект 10-01-00049).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии» 2009 - -2010гг., Москва, МЭИ (ТУ); 16, 17, 18 и 19 Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». 2007 - 2010 г., Украина, г. Алушта; на 13 Всероссийской конференции «Математические методы распознавания образов». Ленинградская обл., г. Зеленогорк, 2007 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12-ти печатных работах, в том числе в 4-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 63 наименования и приложения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 45 таблиц.
