СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
METHOD FOR CONTROLLING CONDITION OF MULTIVARIATE OBJECT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле и анализе состояния сложных многопараметрических объектов, являющихся элементами систем связи и автоматизации.
Известен способ непрерывного пассивного контроля параметров телефонных линий, реализованный в устройстве типа ЛСТ-1007, при котором предварительно проверяют телефонную линию на отсутствие повреждений и несанкционированных подключений, задают контролируемые параметры телефонной линии, измеряют контролируемые параметры, запоминают их в качестве эталонов, непрерывно измеряют и сравнивают текущие значения контролируемых параметров с эталонными, формируют сигнал тревоги при несовпадении измеренных значений параметров с эталонными, продолжают измерения при их совпадении с эталонными значениями контролируемых параметров.
Недостатками данного способа являются низкая точность результатов контроля вследствие воздействия внешних факторов (климатических, временных, и др.), чем обусловлена низкая вероятность принятия объективного решения о состоянии контролируемого объекта и низкая экономическая эффективность системы контроля, это ограничивает область применения способа.
Известен также «Способ измерения параметров RLC-цепей», по патенту РФ №2100813, класс G01R 27/26, 27.12.1997, основанный на измерении длительностей переходных процессов в резистивно-емкостной или резистивно-индуктивной измерительной цепи, на вход которой подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, и измеряют его параметры на выходе исследуемой RLC-цепи.
Способ по сравнению с предыдущим позволяет получить более полную информацию о характеристиках контролируемого объекта, недостатком данного способа является относительная сложность реализации, обусловленная необходимостью генерации специальных зондирующих сигналов, узкая область применения, обусловленная несовместимостью способа измерения с нормальным функционированием телефонных линий и невозможностью непрерывного измерения их параметров, а также низкая экономическая эффективность способа.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является способ оценки эффективности больших систем, включающих большое число контролируемых параметров, по патенту РФ №2210112 «Унифицированный способ Чернякова / Петрушина для оценки эффективности больших систем», класс GO6F 17/00, заявл. 7.06.2001.
Способ-прототип заключается в том, что предварительно задают совокупность структурных элементов - представление многопараметрического объекта (МПО) в виде иерархии его структурных элементов (СЭО), частные характеристики состояния, поставленные в соответствие каждому элементу СЭО, нормативные значения, соответствующие каждому частному показателю состояния, весовые коэффициенты важности, соответствующие каждому частному показателю состояния СЭО, а также заблаговременно в запоминающее устройство (ЗУ) терминального сервера записывают программу вычисления частных параметров и, наконец, предварительно в ЗУ рабочей станции инженера по знаниям загружают сведения, полученные в процессе опроса экспертов данной области знаний, выбирают методику вычисления и запускают эту процедуру, выбирают с помощью коммутатора измеряемые параметры, автоматически считывают информацию с датчиков через преобразователи и записывают ее в ЗУ считанной информации в терминальном сервере, преобразуют величины параметров в соответствующие цифровые данные с помощью различных специальных преобразователей, запоминают цифровые данные в запоминающем устройстве, вычисляют частные и обобщенную характеристики состояния МПО по программе вычисления характеристик состояния с помощью терминального сервера, сравнивают их с предварительно заданными значениями, отображают и документируют результаты вычислений и сравнений на видеомониторе и принтере.
По сравнению с аналогами способ-прототип имеет более широкую область применения как для простых, так и для многопараметрических объектов.
Недостатком прототипа является относительно невысокая точность текущей оценки состояния МПО и оперативность выявления причин изменения его состояния до наступления критических значений контролируемых параметров, а также выявления отличающегося поведения параметров одного из СЭО относительно других. Это обусловлено тем, что вывод о состоянии контролируемого МПО делают при проведении полного цикла контроля, результаты которого указывают только на критическое ухудшение параметров.
Целью предлагаемого технического решения является разработка способа контроля состояния МПО, обеспечивающего более высокую точность оценки состояния МПО; повышение оперативности оценки состояния МПО за счет выявления тенденции изменения параметров до достижения ими критических значений и выявление отличающегося (аномального) поведения параметров одного из СЭО относительно поведения параметров остальных однотипных СЭО.
Заявленный способ расширяет арсенал средств данного назначения.
сm
доп
mi
mi
mij
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля состояния многопараметрического объекта (МПО), заключающемся в том, что предварительно задают совокупность N≥2 структурных элементов объекта (СЭО) и М≥N параметров, характеризующих их состояние, измеряют и запоминают измеренные параметры СЭО, определяют характеристики состояния МПО в процессе функционирования, результаты которых документируют и принимают по ним решение о состоянии МПО, дополнительно для N однотипных СЭО предварительно задают стандартные значения их параметров П. Также задают допустимые отклонения ΔП параметров от стандартных значений и предельно допустимую разность  между максимальным и минимальным значениями для каждого из m - контролируемых параметров. Для определения характеристик состояния МПО считывают ранее запомненные значения параметров  и П, сравнивают их между собой и в каждой группе однотипных СЭО вычисляют разности (отклонения) ΔП измеренных значений m-го параметра от его стандартного значения . Считывают ранее запомненные экстремальные значения  и , сравнивают их и по результатам сравнения определяют разности ΔП между максимальным  и минимальным  уровнями измеренных значений m-го параметра. Затем сравнивают вычисленные характеристики
mi
mij
ΔП и ΔП с предварительно заданными их значениями  и . После этого измеренные параметры и вычисленные характеристики документируют. Если  и , то состояние МПО принимают как исправное и повторяют цикл измерений параметров. Если  и/или , то состояние МПО характеризуют как неисправное и дополнительно документируют информацию о параметрах и характеристиках i-го структурного элемента.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность выявления изменений контролируемых параметров в интервале их допустимых значений и, кроме того, выявление аномального изменения контролируемых параметров одного или нескольких СЭО на фоне состояния аналогичных параметров других однотипных СЭО, чем и достигается в заявленном способе повышение точности, оперативности текущей оценки состояния СЭО и вероятности принятия объективного решения о состоянии МПО.
Использование опережающего контроля состояния СЭО до завершения полного цикла контроля состояния всего МПО обеспечивает повышение экономической эффективности системы контроля.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - чертеж, иллюстрирующий многопараметрический объект и группы его однотипных структурных элементов;
фиг.2 - чертежи, поясняющие процесс реализации способа.
фиг.3 - чертеж, иллюстрирующий результаты сравнительного пошагового моделирования способа-прототипа и заявленного способа.
Точность текущей оценки МПО известными способами ограничена следующими факторами: значения контролируемых параметров структурных элементов объекта в процессе их функционирования могут изменяться в пределах допустимых значений, заданных техническими условиями для МПО. Параметры контролируемого СЭО могут иметь отклонения, не превышающие допустимых значений, однако указывающие на тенденцию их ухудшения или аномального состояния одного или нескольких однотипных СЭО. В связи с этим состояние МПО будет оцениваться известными способами как приемлемое до тех пор, пока значение параметра контролируемого элемента не выйдет за пределы допустимых значений.
Для большинства вариантов построения многопараметрических объектов можно сделать допущение о том, что однотипные структурные элементы объекта подвергаются в равной степени воздействию внешних возмущающих факторов. Выявление аномальных изменений параметров одного из СЭО в пределах группы однотипных указывает на дополнительное возмущающее воздействие. Предлагаемый способ позволяет на ранней стадии выявить аномальное поведение параметров как отдельного, так и группы однотипных СЭО, тем самым обеспечить объективную оценку состояния МПО и своевременность принятия мер, предотвращающих необратимые последствия в работе МПО.
1
N1
1
N2
1
N3
Реализацию заявленного способа можно рассмотреть на примере МПО, в качестве которого выступает узел связи (УС) с сетью соединительных линий различного типа: проводные линии с использованием волоконно-оптического кабеля (1-1) или симметричной пары (1-1), а также беспроводные (например, радиорелейные) линии радиосвязи (1-1) (группы I, II, III на фиг.1). Для каждой группы однотипных структурных элементов задается набор контролируемых параметров
1
M1
1
М2
1
М3
(П…П; П…П П…П), определяющих эксплуатационные характеристики или характеристики защищенности от несанкционированных воздействий. Например, для абонентских линий с использованием симметричной пары эксплуатационными параметрами являются импеданс и емкость линии, взаимное влияние линий в многопарном кабеле, сопротивление изоляции, пропускная способность линии (для цифровой линии связи), линейное напряжение, емкость звонковой цепи (для аналоговой телефонной линии связи) и другие параметры, которые необходимо контролировать при эксплуатации линий для определения их состояния и работоспособности.
i
j
Для каждого m-го параметра из множества М - параметров одной из групп однотипных СЭО в зависимости от задач и условий функционирования МПО задают стандартные (номинальные) значения параметров  (определенные в эксплуатационно-технической документации), а также допустимые отклонения значений каждого из параметров  от нормы и допустимый размах значений m-го параметра , т.е. предельное значение разности отклонений одного и того же параметра i-го ΔП и j-го ΔП однотипных СЭО: . Допустимые значения  и  рассчитывают с учетом минимизации вероятности принятия ошибочного решения об исправном состоянии МПО при заданной вероятности принятия ошибочного решения о неисправном состоянии МПО. Причем при задании указанных параметров должно соблюдаться условие . Вычисления производят по формулам контрольных границ для карт Шухарта (ГОСТ Р 50779.42-99) или согласно критериям принятия решения Неймана-Пирсона (Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. «Сов. радио» 1975 г., 392 с.). Указанные исходные данные записывают в ЗУ системы контроля.
к
m
m
u
u
m
u
m
u
m
В процессе функционирования МПО система контроля осуществляет непрерывные (или периодические с заданным временным интервалом контроля Δt) измерения текущих значений параметров. Измерения контролируемых параметров осуществляют с помощью соответствующих каждому параметру измерителей. Оценку m-го параметра П определяют по выборке П(Δt), которую формируют в результате многократных отсчетов в течение интервала измерения Δt. Длительность этого интервала выбирают исходя из требуемого интервала усреднения по времени значений П. Это обусловлено тем, что на объективность контроля состояния СЭО и всего МПО могут повлиять кратковременные превышения допустимых значений контролируемых параметров и характеристик под влиянием внешних случайных факторов (электромагнитные разряды, скачки напряжения и т.п.). Подобные случайные факторы могут воздействовать как на отдельные СЭО, так и на весь МПО. В связи с этим значения Δt можно определить наиболее точно только экспериментально. Размер n выборки (количество отсчетов) П (Δt) определяют с учетом требуемой точности измерений и чувствительности системы контроля к изменениям контролируемых параметров. Измеренные таким образом значения контролируемых параметров П записывают в ЗУ системы контроля.
mi
Для вычисления характеристик состояния СЭО считывают из ЗУ предварительно записанные значения  и П, сравнивают их между собой и вычисляют разность
mi
mij
mij
mi
mij
mij
mij
mi
mj
ΔП для каждого i-го СЭО по каждому m-му параметру с помощью устройства сравнения (например, компаратора). Аналогично, для вычисления значений ΔП считывают из ЗУ экстремальные значения  и  для каждого m-го параметра, сравнивают их и вычисляют разность ΔП с помощью устройства сравнения. После этого считывают из ЗУ предварительно записанные значения ,  и вычисленные значения ΔП, ΔП и сравнивают их также с помощью устройства сравнения. Определение состояния МПО по значению ΔП может быть упрощено путем измерения коэффициента корреляции R значений m-го параметра П и П для i-го и j-го однотипных СЭО с помощью коррелометра. Разновидности и особенности применения коррелометра известны (см., например. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов / В.И.Нефедов [и др.]. - М.: Высш. шк., 2001. - 383 с.).
mi
mij
mij
Полученные после вычисления значений ΔП и ΔП (ΔR) и сравнения их с допустимыми значениями  и  данные являются исходными для принятия решения о состоянии МПО. При этом возможны различные состояния СЭО и соответствующие реакции системы контроля, представленные на фиг.2.
m1
m2
mN
mij
В процессе функционирования структурных элементов у каждого из однотипных СЭО значения m-го параметра могут принимать индивидуальные значения П, П, П, в общем случае отличные от стандартного  и совершать случайные колебания в пределах допустимых отклонений  при этом значение ΔП также не превышает допустимого значения  (см. фиг.2а). В этом случае МПО функционирует нормально, а система контроля, осуществляющая непрерывные (или периодические) измерения текущих значений параметров, оценивает состояние МПО как нормальное.
m
На фиг.2б представлена ситуация, когда измеренные значения контролируемых параметров одного или нескольких СЭО имеют устойчивую тенденцию к ухудшению и выходят из области допустимых значений под влиянием системного дестабилизирующего возмущения (например, повышение температуры, влажности окружающей СЭО среды и т.п.). В этом случае МПО продолжает нормально функционировать при  и . В то же время система контроля фиксирует при все возрастающих ΔП тенденцию к ухудшению условий функционирования МПО, и при  система контроля укажет на выход параметров МПО за нормативные значения.
u
mij
mij
На фиг.2в представлена ситуация, когда характер изменения m-го параметра одного из однотипных СЭО существенно отличается от характера изменения этого же параметра для других однотипных СЭО. В этом случае при достижении  и даже при значениях m-го параметра остальных СЭО в пределах допустимых, т.е. , система контроля выявит аномальное состояние одного из СЭО и укажет на отклонение его характеристик от заданных значений до достижения уровня, превышающего . Такое поведение одного из СЭО может возникнуть в силу каких-либо дестабилизирующих факторов, воздействующих только на i-й элемент из группы однотипных СЭО. Например, повреждение линии с последующим снижением сопротивления изоляции кабеля. В то же время возможные кратковременные случайные скачки значений параметров, вызванные несистемными причинами, усредняются (на интервале измерения Δt, который больше, чем средняя продолжительность зафиксированных кратковременных скачков параметров) и практически не влияют на общую оценку состояния МПО. Если в системе контроля используется коррелометр, то с его помощью можно непосредственно определить параметр ΔП по снижению коэффициента корреляции ΔR значений m-го параметра i-го СЭО относительно остальных однотипных СЭО.
к
На фиг.2г представлена ситуация, когда значение m-го параметра одного из однотипных СЭО скачкообразно изменился и продолжает случайные колебания в пределах нормы без каких-либо тенденций к его дальнейшему изменению. Такое поведение параметра объекта может означать, например, несанкционированное подключение к линии какого-либо технического устройства, приводящего к скачкообразному однократному изменению параметра. Если при этом , то обнаружить указанную аномальность в рамках известного способа контроля оказывается невозможным. В данном случае подобная аномальность обнаруживается при . Чувствительность системы контроля к аномальным однократным ступенчатым скачкам определяется величиной , а оперативность их выявления - интервалом контроля Δt. Своевременное обнаружение подобного признака может предотвратить несанкционированный доступ к защищаемым ресурсам МПО.
Возможность получения положительного эффекта при использовании предлагаемого способа была подтверждена сравнительным пошаговым моделированием и сравнением способа-прототипа и заявленного способа. Результаты сравнения представлены на фиг.3.
к
к3
к
Методика пошагового моделирования заключалась в следующем. Задавался интервал времени Δt между i-м и (i+1)-м циклами контроля состояния МПО. Для каждой из ситуаций, соответствующих изображенным на фиг.2б, 2в, 2г, выполнялись циклы контроля по способу-прототипу и по заявленному способу до тех пор, пока системой контроля не было выявлено недопустимое отклонение контролируемых параметров. Для ситуации, представленной на фиг.2б, способ-прототип и заявленный способ позволяют в равной степени обнаружить неисправность при достижении неравенства . На фиг.3 факт выявления недопустимых отклонений параметров обозначен знаком «+». Момент фиксации такого состояния МПО в приведенном примере соответствует времени t=3Δt (см. фиг.2б, фиг.3). В ситуации, представленной на фиг.2в, заявленный способ позволяет обнаружить аномальное поведение параметра одного из однотипных СЭО уже на втором цикле контроля при достижении условия  (см. на фиг.2в, момент времени ). В то же время при использовании способа-прототипа такая аномальность может быть обнаружена только на третьем цикле контроля в момент времени  (см. фиг.2в), т.е. при выполнении условия . В ситуации, представленной на фиг.2г, способ-прототип не позволяет обнаружить неисправность i-го СЭО и состояние МПО ошибочно принимают исправным, а заявленный способ позволяет обнаружить неисправность при  после второго цикла контроля (см. момент времени  на фиг.2г, фиг.3).
Таким образом, в заявленном способе в течение 3-х циклов контроля выявлены все три вида отклонений контролируемого параметра, в то время как в способе - прототипе только два. Причем время обнаружения в способе-прототипе превышает время, затраченное на обнаружение аналогичных отклонений при использовании заявленного способа. Благодаря упреждающему обнаружению тенденции ухудшения условий функционирования МПО возможно своевременное устранение причины неисправности и повышение оперативности обнаружения и точности оценки состояния МПО, следовательно, оказывается возможным достижение указанного технического результата.