СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДУБЛИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
MANAGEMENT METHOD FOR DUPLICATED SYSTEM USING FUZZY LOGIC METHODS

Предлагаемое изобретение относится к сложным автоматическим системам управления, радиотехническим комплексам, резервированным в интересах повышения надежности.
Известен способ управления резервированной системой с использованием мажоритарных элементов. В этом способе состояние одной (рабочей) системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем с помощью пороговых схем сравнения [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 43-44, 60-61]. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем. Этот принцип широко используется для обнаружения внезапных отказов.
Основным недостатком данного способа является то, что он работоспособен при числе резервированных элементов равном трем и больше.
Известен способ управления резервированной системой, основанный на обнаружении отказов системы по месту, занимаемому ее выходным параметром (ВП) в вариационном ряде, образуемом мгновенными значениями ВП нескольких резервированных элементов [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 50, 89-100]. Признаком отказа элемента является изменение места его ВП в ряде.
Недостатком данного способа резервирования является также работоспособность при числе резервированных элементов равном трем и больше.
Известен способ управления резервированной системой, основанный на сравнении ВП каждого резервированного элемента рабочей системы со средним арифметическим значением ВП нескольких резервированных элементов [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 35-36, 83-85]. Этот способ в основном используется для обнаружения постепенных отказов, так как в данном случае неизвестные истинные значения ВП системы заменяются оценками (средней арифметической величиной наблюденных значений), полученными путем усреднения ВП нескольких элементов.
Недостатком данного способа является то, что внезапный отказ одного (любого) элемента сравнения приводит к недопустимому изменению среднего арифметического значения, что не позволяет идентифицировать отказавший элемент.
Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является способ управления резервированной системой, заключающемся в определении разностей выходных параметров резервируемых элементов (РЭ), по найденным разностям нахождении количественных значений степени уверенности исправности или отказа каждого резервированного элемента с использованием методов нечеткой логики и при наличии исправных элементов подключении к выходу резервированной системы одного из них [Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики. Патент РФ №2565417 по заявке №2014123818/08 от 10.06.2014 г].
Недостатком данного способа является то, что он не может быть использован в дублированной системе, состоящей из двух резервированных элементов, так как в этом случае можно определить только факт наступления отказа в системе без локализации отказавшего элемента.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности дублированных систем за счет своевременного обнаружения факта отказа в системе, сравнения выходных параметров элементов с их средним значением, найденным до обнаружения факта отказа, локализации отказавшего элемента с использованием методов нечеткой логики для подключения исправного элемента к выходу резервированной системы.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе управления резервированной системой, заключающимся в определении разностей выходных параметров резервируемых элементов, нахождении количественных значений степени уверенности в исправности или отказе каждого резервированного элемента с использованием методов нечеткой логики и при наличии исправных элементов подключении к выходу резервированной системы одного из них, согласно изобретению находят среднее арифметическое значение выходных параметров резервированных элементов, определяют разности выходных параметров резервированных элементов со средним арифметическим значением, задержанным по времени, определяемым интервалом от момента обнаружения факта отказа в дублированной системе до момента локализации отказавшего резервированного элемента, используют полученные разности выходных параметров при нахождении количественных значений степени уверенности в исправности или отказе каждого резервированного элемента с использованием методов нечеткой логики.
Сущность изобретения заключается в том, что при возникновении отказа какого-либо резервированного элемента дублированной системы по возникшей значительной разности значений выходных параметров элементов определяют факт возникновения отказа, а по разности выходных значений элементов с их средним арифметическим значением, найденным ранее до обнаружения факта отказа, с использованием методов нечеткой логики осуществляют локализацию отказавшего резервированного элемента.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлена схема системы, состоящей из двух резервированных элементов и устройств, с помощью которых может быть реализован предлагаемый способ. На фигуре обозначены: РЭ1.1-РЭ1.2 - резервированные элементы; СУ2 - устройство суммирования и усреднения, УС3.1-УС3.3 - устройства сравнения; УЗ4 -устройство задержки по времени; К5 - контроллер; БУ6 - блок управления; УК7.1-УК7.2 - устройства коммутации.
В соответствии со схемой входной сигнал поступает на входы элементов РЭ1.1-РЭ1.2, выходные сигналы с которых суммируются и усредняются в устройстве СУ2, а также сравниваются между собой в устройстве сравнения УС3.1 и с усредненным значением, проходящим через устройство задержки УЗ4, в УС3.2 и УС3.3. Сигналы разности выходных параметров с устройств сравнения УС3.1-УС3.3 поступают в контроллер К5, в котором реализован один из методов нечеткой логики. Полученные количественные показатели степени уверенности в исправности или отказе каждого резервированного элемента подаются в блок управления БУ6, который с учетом данных от К5 управляет устройствами коммутации УК7.1-УК7.2.
Оценим возможность обнаружения отказа одного из элементов резервированной системы, его локализации и восстановления работоспособности системы с использованием предложенного способа.
х
Пусть условием отказа системы считается ситуация, когда отклонение выходного параметра системы X от математического ожидания m (истинного значения) превышает допустимый предел . При возникновении отказа одного из резервированных элементов сигнал с выхода УС3.1 превысит порог Δ, сигнализирующий о факте отказа РЭ1.1 или РЭ1.2. Однако разностные сигналы с выходов УС3.2 и УС3.3 в момент обнаружения факта отказа за счет задержки усредненного сигнала несут информацию, позволяющую локализовать отказавший элемент. Если при возникновении внезапного отказа одного из РЭ определение отказавшего элемента не представляет трудности и может быть осуществлено с использованием простых пороговых устройств, то в случае возникновения постепенных отказов для локализации отказавшего элемента целесообразнее использовать методы нечеткой логики [Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики. Патент РФ №2565417 по заявке №2014123818/08 от 10.06.2014 г].
Рассмотрим реализацию в контроллере алгоритма нечеткой логики Мамдани [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 82] для трех вариантов:
1
2
зап
К1
1
зап
K2
2
зап
1 вариант - значения выходных параметров РЭ1.1-РЭ1.2: Х=1020 мВ, Х=950 мВ, значение выходного параметра УЗ4 Х=1000 мВ, соответственно на входе К5 отклонения выходных сигналов от задержанного усредненного значения: Х=Х-Х=20 мВ; Х=Х-Х=-50 мВ;
1
2
зап
K1
К2
2 вариант - Х=1020 мВ, Х=850 мВ, Х=1000 мВ, соответственно Х,=20 мВ; Х=-150 мВ;
1
2
зап
К1
К2
3 вариант - Х=730 мВ, Х=1020 мВ, Х=1000 мВ, соответственно Х=-270 мВ; Х=20 мВ.
Значение порога равно Δ=100 мВ.
На фиг. 2 изображен вид функций принадлежности термов входных лингвистических переменных, используемых при реализации метода нечеткой логики, на фиг. 3 - выходных. На фиг. 2 приведены следующие термы: NB - negative big «большое минус»; РВ - positive big «большое плюс»; NM - negative middle «среднее минус»; РМ - positive middle «среднее плюс»; Z - zero «нулевое». На фиг. 3 приведены следующие термы: S - small «малая уверенность», М - middle «достаточная уверенность», В - big «сильная уверенность».
Сформированные правила нечеткого вывода включают следующие условия:
К1
K2
Условие 1: «Х есть NM или РМ» И «Х есть Z»;
К1
K2
Условие 2: «Х есть Z» И «Х есть NM или РМ»;
K1
К2
Условие 3: «X есть NB или РВ» И «Х есть Z»;
К1
К2
Условие 4: «Х есть Z» И «Х есть NB или РВ»;
K1
К2
Условие 5: «X есть «NB или РВ» или «NM или РМ» И «Х есть «NM или РМ» или «NB или РВ»;
K1
К2
Условие 6: «Х есть Z» «Х есть Z».
Сформированные правила нечеткого вывода включают следующие заключения:
Заключение 1: «Постепенный отказ РЭ1.1»;
Заключение 2: «Постепенный отказ РЭ1.2»;
Заключение 3: «Внезапный отказ РЭ1.1»;
Заключение 4: «Внезапный отказ РЭ1.2»;
Заключение 5: «Отказ РС»;
Заключение 6: «Все РЭ1.1-РЭ1.2 исправны».
Правила нечеткого вывода и принятые экспертно степени уверенности заключений для каждого условия даны в таблице на фиг. 4.
вых
В результате подстановки принятых исходных данных в алгоритм были получены следующие выходные данные, представляющие собой ряд количественных значений степени уверенности (взвешенное среднее) R:
вых1
T
- для 1 варианта: R=[000001];
вых2
T
- для 2 варианта: R=[00,60000,5];
вых3
T
- для 3 варианта: R=[0,400,700].
Таким образом:
для первого варианта с уверенностью равной 1 можно считать, что все резервированные элементы исправны;
для второго варианта с уверенностью 0,6 - происходит постепенный отказ РЭ1.2, а с уверенностью 0,5 - все РЭ исправны;
для третьего варианта с уверенностью 0,4 - происходит постепенный отказ РЭ1.1, а с уверенностью 0,7 - произошел его внезапный отказ.
Блок управления в соответствии с полученными результатами:
для первого варианта никак не реагирует и оставит включенным на выход системы РЭ1.1 (или РЭ1.2, если он был подключен на выход);
для второго варианта подключит к выходу РЭ1.1;
для третьего варианта - РЭ1.2.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности локализации отказавшего элемента в дублированной системе с использованием методов нечетких множеств и отношений. Причем разработанный способ позволяет не только обнаруживать отказавший элемент, но и определять к какому типу данный отказ относится (идентифицировать тип отказа) (постепенный или внезапный).
Рабочая программа может быть реализована с использованием современных широко распространенных PIC микроконтроллеров. В качестве контроллера К5 также могут быть использовать контроллеры, поддерживающих нечеткую логику, например, микросхемы 68НС11, 68НС12 фирмы Motorola, MCS-96 фирмы Intel. Остальные устройства системы могут быть построены с использованием широко распространенной элементной базы в виде операционных усилителей, шифраторов, дешифраторов, транзисторов и т.п.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить поставленную техническую задачу: повышение надежности дублированных систем за счет своевременного обнаружения факта отказа одного из резервированных элементов системы, сравнения выходных параметров элементов с их средним значением, найденным до обнаружения факта отказа, определения исправного элемента с использованием методов нечеткой логики для подключения его к выходу резервированной системы.
Дополнительно предлагаемый способ позволяет не только локализовать отказавший элемент, но и идентифицировать тип отказа данного элемента (постепенный или внезапный).