Устройство формирования управляющего сигнала

Полезная модель относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использована для формирования управляющего сигнала в автоматических системах с высокими требованиями к ложному срабатыванию средств защиты и пропуску опасных ситуаций, например, в системах ликвидации объекта при попытках его захвата, включения активных средств поражения в охранных системах особо важных объектов, т.е. в тех системах, где ущерб (материальный, моральный) от ложного применения средств защиты соизмерим с ущербом от неиспользования этих средств в результате ошибок первого рода (пропуск опасных ситуаций).
Известно устройство формирования управляющего сигнала [Патент РФ на ПМ №157112], содержащее первый и второй датчики контроля опасных ситуаций, построенные с использованием независимых технологий определения опасных ситуаций, элемент ИЛИ, таймер, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И, второй элемент ИЛИ.
Недостатками данного устройства являются ограниченная область использования за счет достаточно высокой вероятности пропуска опасной ситуации и отсутствия возможности формирования сигнала о ложном срабатывании одного из датчиков.
Наиболее близким к заявленному решению является устройство формирования управляющего сигнала [Патент РФ на ПМ №166968], содержащее первый, второй и третий датчики контроля опасных ситуаций, построенные с использованием независимых технологий определения опасных ситуаций, первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы ИЛИ, таймер, первый, второй третий и четвертый триггеры, первый, второй, третий и четвертый элементы И, причем выход первого датчика контроля опасных ситуаций соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, с входом установки первого триггера в единичное состояние и первым входом первого элемента И, выход второго датчика контроля опасных ситуаций соединен с вторым входом первого элементы ИЛИ, с входом установки второго триггера в единичное состояние и первым входом второго элемента И, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом таймера, выход которого соединен с входами установки в нулевое состояние первого и второго триггеров, выход третьего датчика контроля опасных ситуаций соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, с первым входом третьего элемента И и входом установки третьего триггера в единичное состояние, к входу установки в нулевое которого дополнительно подключен выход таймера, выход первого элемента ИЛИ дополнительно соединен с входом установки в единичное состояние четвертого триггера, к входу установки в нулевое состояние которого подключен выход пятого элемента ИЛИ, единичный выход четвертого триггера соединен со вторым входом четвертого элемента И, к первому входу которого подключен выход таймера, а выход является выходом сигнала ложного срабатывания датчика, единичный выход первого триггера соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и со вторым входом четвертого элемента ИЛИ, единичный выход второго триггера соединен с первыми входами второго и четвертого элементов ИЛИ, единичный выход третьего триггера соединен со вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ, выход второго элемента ИЛИ соединен со вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом пятого элемента ИЛИ, выход третьего элемента ИЛИ соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого соединен со вторым входом пятого элемента ИЛИ, выход четвертого элемента ИЛИ соединен со вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с третьим входом пятого элемента ИЛИ, выход которого является выходом управляющего сигнала.
Недостатком данного устройства является то, что формирование управляющего сигнала осуществляется путем мажоритарного выбора двух из трех сигналов на равноправной основе. В ряде случаев за счет разной чувствительности датчиков или в условиях эшелонированной охраны формирование сигналов от датчиков происходит в строго определенной последовательности. Устройство прототип не учитывает определенную последовательность формирование сигналов от датчиков. Это снижает вероятность ложных тревог.
Целью создания полезной модели является расширение области использования устройства за счет снижения вероятности ложной тревоги опасной ситуации путем учета приоритетности поступления сигналов от датчиков опасной ситуации.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве формирование управляющего сигнала о возникновении опасной ситуации предлагается проводить с учетом приоритетности поступления сигналов от трех независимых источников данных о возникновении опасных ситуаций с учетом заданной последовательности их поступления и оценки их рассогласованности по времени получения.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.
Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 датчики контроля опасных ситуаций, построенные с использованием независимых технологий определения опасных ситуаций, первый и второй таймер 4,5, первый, второй и третий триггеры 6-8, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы И 9-15, первый и второй элементы ИЛИ 16, 17. На фиг. 1 показан выход управляющего сигнала 18 и выход сигнала ложного срабатывания датчика 19.
Выход первого датчика 1 контроля опасных ситуаций соединен с первым входом первого элементы ИЛИ 4, с входом установки первого триггера 10 в единичное состояние и первым входом первого элемента И 14, выход второго датчика 2 контроля опасных ситуаций соединен с вторым входом первого элементы ИЛИ 4, с входом установки второго триггера 11 в единичное состояние и первым входом второго элемента И 15, выход третьего датчика 3 контроля опасных ситуаций соединен с третьим входом первого элементы ИЛИ 4, с входом установки третьего триггера 12 в единичное состояние и первым входом третьего элемента И 16, выход первого элемента ИЛИ 4 соединен с входом установки четвертого триггера 13 в единичное состояние и с входом таймера 9, выход которого соединен с входами установки в нулевое состояние первого, второго, третьего триггеров 10, 11, 12 и первым входом четвертого элемента И, единичный выход первого триггера 10 соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ 6 и со вторым входом четвертого элемента ИЛИ 7, единичный выход второго триггера 11 соединен с первыми входами второго и четвертого элементов ИЛИ 5 и 7, единичный выход третьего триггера 12 соединен со вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ 5 и 6, выход второго элемента ИЛИ 5 соединен со вторым входом первого элемента И 14, выход которого соединен с первым входом пятого элемента ИЛИ 8, выход третьего элемента ИЛИ 6 соединен со вторым входом второго элемента И 15, выход которого соединен со вторым входом пятого элемента ИЛИ 8, выход четвертого элемента ИЛИ 7 соединен со вторым входом третьего элемента И 16, выход которого соединен с третьим входом пятого элемента ИЛИ 8, выход которого соединен с входом установки в нулевое состояние четвертого триггера 13 и является выходом управляющего сигнала 18, единичный выход четвертого триггера 13 соединен со вторым входом четвертого элемента И, выход которого является выходом сигнала ложного срабатывания датчика 19.
Устройство работает следующим образом.
Пусть при возникновении опасной ситуации предусматривается следующая последовательность срабатывания датчиков: первый, второй, третий.
В исходном состоянии триггеры 6, 7, 8 находятся в нулевом состоянии. Длительность первого таймера 4 выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное рассогласование сигналов между первым и третьим датчиками, а длительность второго таймера 5 выбирается из расчета максимально возможного рассогласования сигналов между вторым и третьим датчиками.
При поступлении сигнала об опасной ситуации от первого датчика 1 триггер 6 и триггер 8 устанавливаются в единичное состояние и запускается таймер 4. Если в течение заданного времени (длительность таймера 4) поступит сигнал либо от датчика 2, либо от датчика 3, то сигнал через открытый элемент И 9 или открытый элемент И 10 и элемент ИЛИ 16 поступит на выход устройства 18.
Если сигнал от первого датчика при возникновении опасной ситуации не поступил (пропуск опасной ситуации первым датчиком), то со второго датчика сигнал установит триггеры 7, 8 в единичное состояние и запустится таймер 5. Если в течение заданного времени (длительность таймера 5) поступит сигнал от датчика 3, то сигнал через открытый элемент И 11 и элемент ИЛИ 16 поступит на выход устройства 18.
Таким образом, при поступлении двух сигналов:
или от первого датчика 1 и в течение заданного времени от датчика 2;
или от первого датчика 1 и в течение заданного времени от датчика 3;
или от второго датчика 2 и в течение заданного времени от датчика 3,
на выходе устройства 18 появится управляющий сигнал «Опасная ситуация».
В случае отсутствия опасной ситуации при срабатывании только датчика 3 (ложная тревога) сигнал поступит через открытый элемент И 12 и элемент ИЛИ 17 на выход 19 устройства, сигнализируя тем самым о ложном срабатывании.
В случае отсутствия опасной ситуации при срабатывании только датчика 2 сигнал поступит на вход таймера 5 и через элемент ИЛИ 15 установит триггер 8 в единичное состояние. В случае отсутствия сигнала на выходе датчика 3 в течение длительности таймера 5 на выходе элемента ИЛИ 16 не будет сигнала и триггер 8 останется в единичном состоянии и сигнал с выхода таймера 5 через открытый элемент И 13 и элемент ИЛИ 17 поступит на выход 19 устройства, сигнализируя тем самым о ложном срабатывании.
В случае отсутствия опасной ситуации при срабатывании только датчика 1 сигнал поступит на вход таймера 4 и через элемент ИЛИ 15 установит триггер 8 в единичное состояние. В случае отсутствия сигнала на выходе датчика 2 или датчика 3 в течение длительности таймера 4 на выходе элемента ИЛИ 16 не будет сигнала и триггер 8 останется в единичном состоянии и сигнал с выхода таймера 4 через открытый элемент И 14 и элемент ИЛИ 17 поступит на выход 19 устройства, сигнализируя тем самым о ложном срабатывании.
Для оценки вероятностных характеристик устройства-прототипа и предлагаемого устройства воспользуемся способами оценки и декомпозиции требований по вероятностям ложных тревог в многовходовых системах контроля [Голиков В.П., Гончаров Н.А., Чернышев В.Б. Способы оценки и декомпозиции требований по вероятностям ложных тревог в многовходовых системах контроля. Двойные технологии №3 (44) 2008 г., с. 7-15].
Выражения для определения вероятностных характеристик устройства-прототипа и предлагаемого устройства приведены в таблице 1.
В таблице использованы следующие обозначения
ос
Р - вероятность обнаружения опасной ситуации;
1
ош
Р - вероятность ошибок первого рода (пропуск опасной ситуации);
2
ош
Р - вероятность ошибок второго рода (ложная тревога);
1
P - вероятность формирования сигнала первым датчиком за время от момента возникновения опасной ситуации до окончания заданного периода рассогласования времени поступления сигналов от датчиков;
2
Р - вероятность формирования сигнала вторым датчиком за время от момента возникновения опасной ситуации до окончания заданного периода рассогласования времени поступления сигналов от датчиков;
3
Р - вероятность формирования сигнала третьим датчиком за время от момента возникновения опасной ситуации до окончания заданного периода рассогласования времени поступления сигналов от датчиков;
1
ош
Р - вероятность ошибок первого рода (пропуск опасной ситуации);
2
ош
Р - вероятность ошибок второго рода (ложные тревоги) первым датчиком за время работы таймера То;
2
2ош
Р - вероятность ошибок второго рода (ложные тревоги) вторым датчиком за время работы таймера То;
2
3ош
Р - вероятность ошибок второго рода (ложные тревоги) третьим датчиком за время работы таймера То;
i
λ - средняя плотность числа точек (ложных тревог), приходящихся на единицу длины t.
Число ложных тревог, попадающих на любой фиксированный интервал времени, распределено по закону Пуассона.
Если поток событий является стационарным, без последствия и ординарным, то число событий, попадающих на любой фиксированный интервал времени, распределено по закону Пуассона [Вентцель Е. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964]. Свойство стационарности потока предполагает, что вероятность попадания того или иного числа событий на участок времени длинной τ зависит от длинны участка и не зависит от того, где именно на оси времени расположен этот участок.
Свойство потока событий без последствия означает, что для любых неперекрывающихся участков времени число событий, попадающих на один из них, не зависит от числа событий, попадающих на другие участки.
И, наконец, свойство ординарности потока событий означает, что вероятность попадания на элементарный участок Δτ двух или более событий пренебрежимо мала по сравнению с вероятностью попадания одного события.
Закон Пуассона называют еще законом редких событий [Вентцель Е. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964]. Если учесть, что ложные тревоги в подсистемах действительно являются редкими событиями, то можно принять гипотезу о том, что число появления ложных тревог на интервале Т подчинено закону Пуассона.
z
Вероятность появления ровно «Z» ложных тревог P в одной подсистеме при использовании закона Пуассона вычисляется по формуле
где α - параметр закона Пуассона, являющийся математическим ожиданием случайной величины (среднего числа ложных тревог на отрезке t), вычисляемой по формуле
α=λ⋅t,
где λ - средняя плотность числа точек (ложных тревог), приходящихся на единицу длины t.
2
ош
Если учесть, что нас интересует вероятность совместного появления двух ложных тревог от трех подсистем на интервале времени То в определенной последовательности, то, учитывая стационарность потока событий, формула для вероятности Р в этой модели будет иметь следующий вид:
2
2
2
2
2
2
2
ош
1ош
2ош
1ош
3ош
2ош
3ош
Р = (Р⋅Р+Р⋅Р + Р⋅Р ) Рn,
2
iош
i
где Р ≈ λ⋅To;
n
п
Р - вероятность не нарушения последовательности выработки ложных сигналов (Р ≈ 0,5).
Расчеты вероятностных характеристик устройства-прототипа и предлагаемого устройства приведены в таблице 2 при следующих исходных данных:
с1
вероятность формирования сигнала первым датчиком при возникновения опасной ситуации Р = 0,99;
с2
вероятность формирования сигнала вторым датчиком при возникновения опасной ситуации Р = 0,99;
с3
вероятность формирования сигнала третьим датчиком при возникновения опасной ситуации Р = 0,99;
вероятность формирования сигнала первым датчиком за время от момента возникновения опасной ситуации до окончания заданного периода рассогласования времени поступления сигналов от датчиков Р1=0,99;
2
вероятность формирования сигнала вторым датчиком за время от момента возникновения опасной ситуации до окончания заданного периода рассогласования времени поступления сигналов от датчиков Р=0,99;
3
вероятность формирования сигнала вторым датчиком за время от момента возникновения опасной ситуации до окончания заданного периода рассогласования времени поступления сигналов от датчиков Р=0,99;
i
1
2
3
-6
λ - средняя плотность числа точек (ложных тревог), приходящихся на единицу длины λ = λ = λ = 10 / час;
время работы таймера То=1 час.
Расчеты вероятностных характеристик устройства-прототипа и предлагаемого устройства приведены в таблице 2.
Таблица 2 показывает, что вероятность обнаружения и вероятность пропуска опасной ситуации для устройства-прототипа и предлагаемого устройства одинаковы, а вероятность ложных тревог уменьшена в два раза.
Таким образом, поставленная цель - снижение вероятности ложных тревог - достигнута.