§2. Задачи и методы диагностирования

Основными задачами технической диагностики являются проверка исправности и работоспособности объектов, а также поиск дефектов: их обнаружение, локализация (определение местоположения) и указание конкретного вида. В обозначенных рамках могут быть поставлены следующие частные задачи.

1. Разбраковка объектов на два класса – исправные и неисправные.

2. Отнесение объекта к одному из нескольких (более двух) классов – аттестация объектов.

3. Косвенное измерение диагностических параметров, т.е. их определение по результатам измерения других, более удобных или единственно доступных параметров.

4. Поиск среди диагностических параметров наиболее информативных (выделение диагностических точек).

5. Разработка и использование математических моделей объектов диагностирования, алгоритмов диагностирования и правил их использования.

Методы технического диагностирования имеют различия в системах тестового [3] и функционального диагностирования. Для первых характерна проблема построения тестов (тестовых воздействий), позволяющих сделать надлежащие заключения о техническом состоянии объекта. Тесты подразделяют на проверяющие (проверка исправности и работоспособности объекта) и тесты поиска дефектов. Принято различать дискретные (главным образом – построенные на базе ЭВМ) и аналоговые объекты. Характер тестовых воздействий для них различен. Для первых это цифровые последовательности, получаемые от специального генератора или хранимые в памяти ЭВМ. Используют как детерминированные, так и случайные (псевдослучайные) последовательности. Применительно к аналоговым объектам используют тестовые воздействия в форме гармонических сигналов, сигналов в виде единичного скачка или единичного импульса, а также непрерывных случайных сигналов.

Типовая структура системы тестового диагностирования включает в себя генератор Г, объект О и анализатор А ответов объекта на тестовые воздействия (рис. )

Д

Анализатор предназначен для хранения ожидаемых ответов объекта на тестовые воздействия, сравнения фактических данных с ожидаемыми и выдачи диагностической информации Д.

Вместо хранения ожидаемых ответов может использоваться заведомо исправная копия объекта (эталон Э), что существенно расширяет возможности диагностирования, но технически сложнее (и обычно дороже).

Э

Еще один вариант – использование в качестве эталона математической модели объекта, реализуемой на ЭВМ.

Для производственных систем преимущественно используются системы функционального диагностирования. При этом спектр воздействий на объект определяется условиями эксплуатации и обычно оказывается значительно уже, чем при тестовом диагностировании (пользуясь терминологией планирования эксперимента, можно назвать тестовое диагностирование активным, а функциональное – пассивным экспериментом).

При функциональном диагностировании возрастает роль методов обработки диагностической информации. Методы отличаются очень большим разнообразием и существенно различаются в зависимости от физической и технической сути объектов диагностирования (радиоэлектронная аппаратура, двигатели, строительные конструкции и т.д.).

Некоторые методы образовали отдельные направления в технической диагностике. Таковы, например, методы вибродиагностики, применяемые для выявления дефектов в нагруженных механических узлах двигателей, станков и других конструкций. Они основаны на анализе спектров колебаний, резонансных явлений, скрытых периодичностей и т.п. и предназначены для обнаружения повышенных зазоров в сочленениях, износа подшипников и опор, зарождающихся разрушений.

Другое направление − это диагностика вычислительных систем (ВС) и отдельных входящих в них устройств (ПЗУ, ОЗУ, АЦП, процессоров и т.п.), а также и программных средств. Наиболее известны здесь кодовые методы – избыточные или корректирующие коды: код с проверкой четности, код Хэмминга и др. Применяются программные методы контроля – метод двойного счета, экстраполяционная проверка, метод обратного счета, контроль времени решения и др. Весьма развиты и специфичны и методы тестового диагностирования ВС.

К числу наиболее универсальных (применимых к широкому кругу объектов) относятся следующие методы.

1. Метод диагностических матриц, устанавливающих соответствие между состояниями объекта и диагностическими признаками. Состояния и признаки описываются как логические переменные, принимающие значения 1 или 0 («есть» - «нет»).

2. Методы теории идентификации. Объект описывается как динамическая система, характеризуемая вектором входных воздействий X, вектором выходных показателей Y и оператором L устанавливающим связь между ними

X = L{Y}.

В качестве оператора могут выступать системы дифференциальных и алгебраических уравнений, передаточные функции, частотные характеристики и др. Теория идентификации предлагает методы определения структуры и параметров оператора. С позиций технической диагностики дополнительно нужно сравнить характеристики оператора с требуемыми и сделать соответствующие диагностические выводы. Эти методы наиболее приспособлены для диагностирования САУ.

3. Методы теории статистических решений и распознавания образов. Современная теория статистических решений рассматривает обобщенную задачу принятия решений в условиях неопределенности. Содержательный смысл решений при этом может быть любым: принять или отвергнуть некоторое предложение, начать или нет разработку полезных ископаемых, продать или купить акции и т.д. Неопределенность заключается в том, что имеющиеся при принятии решений данные носят случайный характер с известными, а подчас и неизвестными вероятностными характеристиками. В основе теории статистических решений лежат методы теории вероятностей и математической статистики.

Задача распознавания образов – отнесения объекта к той или иной категории на основании имеющихся у него признаков – это тоже задача о принятии решения (графическое изображение сопоставить с буквой алфавита, по сейсмограмме определить, имел ли место взрыв или землетрясение и т. п.). Однако в силу специфики многих задач этой категории разработан ряд методов, не опирающихся непосредственно на статистику.

Термин «образ» возник именно из прикладных задач распознавания изображений, хотя его можно понимать гораздо шире; в английском языке есть более удачный – «pattern» т.е. «образец». Скажем, образец геологической породы (в т.ч. «обманка»), образец осциллограммы и т.д.

Понятно, что задачи диагностики тоже могут рассматриваться как задачи принятия решений или распознавания образов.

Примерный порядок построения системы технического диагностирования предусматривает следующие этапы.

1. Определение типа системы диагностирования в соответствии с приведенной выше классификацией.

2. Выбор диагностических признаков (параметров).

3. Разработка алгоритмов диагностирования на основе имеющихся методов.

4. Техническая реализация системы диагностирования.

Впоследствии будут рассмотрены некоторые вопросы, относящиеся к п.п. 2 и 3, а сейчас – кое-что о технических средствах.

Технические средства по конструкции подразделяются на встроенные – выполненные в общей конструкции с объектом – и внешние – выполненные отдельно от конструкции объекта. Пример встроенных средств – аппаратные средства контроля в ВС, внешних – стандартная виброизмерительная аппаратура.

По назначению они делятся на универсальные – предназначенные для различных объектов – и специализированные – для однотипных объектов. Универсальные средства обычно выполняются как внешние.

По выполняемым функциям технические средства разделяются на следующие группы.

1. Измерительные устройства (контроль и измерение диагностических параметров). Они отличаются большим разнообразием, обусловленным разнообразием измеряемых физических величин (перемещение, сила, давление, температура и т.д.), обычно имеют электрический выход. В [3] средства сгруппированы по типам оборудования – энергетическое, транспортное, радиоэлектронное и т.д..

2. Устройства передачи диагностической информации (телеметрия). Подразделяются на аналоговые и цифровые. В ответственных случаях применяется диагностирование самих устройств: в аналоговых применяют резервирование в сочетании с принципом голосования, в цифровых – специальные коды, аналогичные тем, что в ВС.

3. Устройства согласования – усилители, фильтры, коммутаторы, АЦП и т.п.

4. Средства записи и хранения диагностической информации: самописцы, магнитофоны, устройства записи на жесткие диски и т.п.

5. Средства обработки информации (ручные, на основе универсальных ЭВМ, на основе специализированных микропроцессорных систем и др.). Основная задача при их создании – разработка алгоритмов обработки диагностической информации на базе упоминавшихся выше методов.

По вопросам технических средств – [3]; много «воды».