Monitorowanie stanu systemu kierowca

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 95
Transport
2013
Henryk Tylicki, Bolesaw Ochodek
Instytut Politechniczny, Pastwowa Wysza Szkoa Zawodowa im. Stanisawa Staszica w Pile
MONITOROWANIE STANU SYSTEMU
KIEROWCA - RODEK TRANSPORTOWY - DROGA
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W opracowaniu przedstawiono problematyk wyznaczania algorytmów monitorowania
stanu systemu Kierowca-rodek transportu-Droga. Stanowi to podstaw do opracowania regu
wnioskowania diagnostycznego i budowy pokadowego systemu monitorowania stanu.
Sowa kluczowe: system Kierowca-rodek transportu-Droga, monitorowanie stanu systemu.
1. CHARAKTERYSTYKA ZAGADNIENIA
Zastosowanie w procesie eksploatacji metod monitorowania stanu systemu
antropotechnicznego Kierowca – rodek transportowy – Droga (K–ST–D) wymaga
optymalizacji: zbioru parametrów diagnostycznych, testów diagnostycznych, metod
genezowania i metod prognozowania. Rozwizanie tych zada zaley od wielu czynników
zwizanych z wykorzystaniem obserwacji wielosymptomowych oraz procesu „zuycia”
elementów systemu. Monitorowanie stanu systemu K–ST–D powinno umoliwi [2,4,6]:
1. Okrelenie stanu systemu w czasie biecym na podstawie wyników bada
diagnostycznych. Umoliwia ono kontrol stanu i lokalizacj uszkodze elementów
systemu.
2. Przewidywanie stanu w czasie przyszym na podstawie historii wyników bada
diagnostycznych, co umoliwia oszacowanie czasu niezawodnego uytkowania
systemu oraz wyznaczenie terminu obsugiwania elementów systemu.
3. Przewidywanie stanu w czasie przeszym na podstawie historii wyników bada
diagnostycznych, co umoliwia oszacowanie stanu systemu w przeszoci i okrelenie
przyczyny wystpienia stanu niezdatnoci systemu.
W procesie monitorowania stanu szczególnie wydaje si by wana problematyka wyboru:
a) zbioru parametrów diagnostycznych;
b) metody wyznaczania testów diagnostycznych w zalenoci od wiarygodnoci
diagnozy, iloci informacji i prawdopodobiestwa uszkodzenia elementów
systemu;
486
Henryk Tylicki, Bolesaw Ochodek
c) metody prognozowania w zalenoci od horyzontu prognozy, minimalnej liczby
elementów szeregu czasowego niezbdnej do uruchomienia predykcji oraz czasu
pracy elementów systemu;
d) metody genezowania w zalenoci od horyzontu genezy, minimalnej liczby
elementów szeregu czasowego niezbdnej do uruchomienia genezy oraz czasu
pracy elementów systemu.
Problematyka badania powyszych problemów w procesie monitorowania stanu
elementów systemu K–ST–D, wysokie wymagania stawiane przez uytkowników, a take
obowizujce przepisy prawne dotyczce bezpieczestwa uytkowników oraz ochrony
rodowiska, stanowi impuls do poszukiwania nowych metod monitorowania oraz
wyznaczania nowych miar i narzdzi opisujcych ich aktualne stany diagnostyczne w
procesie eksploatacji, które poniej zostay przedstawione jako odpowiednie procedury
i algorytmy.
2. PROCEDURY PROCESU MONITOROWANIA
2.1. PROCEDURA WYBORU PARAMETRÓW
DIAGNOSTYCZNYCH
Zbiór parametrów diagnostycznych wyrónia si ze zbioru parametrów wyjciowych.
Na podstawie przeprowadzonych bada, majcych na celu potwierdzenie niektórych
propozycji zawartych w pracach dotyczcych redukcji informacji diagnostycznej
w procesie monitorowania stanu, uwaa si, e wyznaczanie zbioru parametrów
diagnostycznych w procesie oceny stanu, prognozowania i genezowania stanu maszyn
powinno uwzgldnia [1,5,6]:
a) zdolno odwzorowania zmian stanu rodka transportowego w czasie eksploatacji;
b) ilo informacji o stanie rodka transportowego;
c) odpowiedni zmienno wartoci parametrów diagnostycznych w czasie
eksploatacji rodka transportowego.
Dlatego odpowiednie algorytmy uwzgldniajce te postulaty przedstawia si, jako
metod korelacji wartoci parametrów diagnostycznych ze stanem oraz metod
maksymalnej
pojemnoci
informacyjnej
parametru
diagnostycznego.
Zalet
przedstawionych metod jest to, e pozwalaj one wybra ze zbioru parametrów
wyjciowych,
jednoelementowe
oraz
wieloelementowe
zbiory
parametrów
diagnostycznych. Zbiór jednoelementowy odnosi si do przypadku, gdy konieczny jest
wybór jednego parametru diagnostycznego. Zbiór wieloelementowy otrzymuje si, gdy
w przedstawionych procedurach stosuje si mniej ostre ograniczenie polegajce na
zakwalifikowaniu do zbioru parametrów diagnostycznych tych parametrów, których
wartoci wskaników s wiksze (mniejsze) od przyjtych, odpowiednio dla metody
maych (duych) liczb dodatnich.
Algorytm metodyki wyznaczania optymalnego zbioru wartoci parametrów
diagnostycznych zawiera nastpujce etapy:
Monitorowanie stanu systemu Kierowca – rodek transportowy – Droga
487
1. Akwizycja danych:
a) zbiór wartoci parametrów diagnostycznych w funkcji czasu eksploatacji systemu
K–ST–D {yj(4k)}, uzyskanych w czasie realizacji eksperymentu bierno –
czynnego, gdzie 4k(41, 4b);
b) zbiór wartoci parametrów diagnostycznych: {yj(41)} – wartoci nominalne,{yjg}wartoci graniczne, j=1, …, m;
c) zbiór stanów systemu K–ST–D: {4k: {si}, k=1, …, K; i=1,…, I} uzyskanych
w czasie realizacji eksperymentu bierno – czynnego, gdzie 4k(41, 4b).
2. Optymalizacja zbioru wartoci parametrów diagnostycznych (tylko w przypadku duej
liczebnoci zbioru Y, np. m>10). Zbiór parametrów diagnostycznych wyznacza si za
pomoc:
a) metody korelacji wartoci parametrów diagnostycznych ze stanem rodka
transportowego (z czasem eksploatacji, rj = r(W, yj), (rj = r((4, yj));
b) metody iloci informacji parametrów diagnostycznych o stanie rodka
transportowego hj.
W celu wyboru zbioru parametrów diagnostycznych wykorzystuje si wartoci wag wj:
wj =
1
, dj =
dj
r j*
rj
max r j
(1 r j* ) 2 (1 h *j ) 2
, h *j
hj
max h j
(1)
(2)
gdzie: W – stan rodka transportu,
hj – wskanik iloci informacji parametrów diagnostycznych.
Jako kryterium wyboru parametru diagnostycznego (parametrów diagnostycznych)
przyjmuje si maksymalizacj wartoci wag wj i wybranie parametrów diagnostycznych
wedug powyszego kryterium.
2.2. PROCEDURA OCENY STANU
Wyznaczanie oceny stanu systemu K–ST–D wie si z badaniem relacji parametr
diagnostyczny – stan elementów systemu. Na podstawie wyników bada uwaa si, e
wykorzystanie odpowiednich procedur powinno uwzgldnia:
a) potrzeb uzyskania informacji diagnostycznej na odpowiednim poziomie
dekompozycji;
b) potrzeb uzyskania informacji diagnostycznej w odpowiednim zakresie oceny stanu
(kontrola stanu, lokalizacja uszkodzenia, kontrola stanu i lokalizacja uszkodzenia);
c) ilo informacji o relacji: parametr diagnostyczny – stan, parametr diagnostyczny –
czas eksploatacji systsmu;
488
Henryk Tylicki, Bolesaw Ochodek
d) odpowiedni zmienno wartoci parametrów diagnostycznych w czasie
eksploatacji systemu K–ST–D.
Badania w tym zakresie obejmuj:
a) okrelenie metody wyznaczania testu kontroli stanu i lokalizacji uszkodze w
funkcji wiarygodnoci diagnozy;
b) okrelenie metody wyznaczania testu kontroli stanu rodka transportowego;
c) okrelenie metody wyznaczania testu lokalizacji uszkodze rodka
transportowego,
d) okrelenie metody wyznaczania testu kontroli stanu maszyny i lokalizacji
uszkodze rodka transportowego.
Algorytm metodyki wyznaczania testu diagnostycznego zawiera nastpujce etapy:
1. Akwizycja danych.
2. Optymalizacja zbioru parametrów diagnostycznych.
3. Porzdkowanie zbioru danych poprzez okrelenie zbioru {si (4k), i=1,…, 1; k=1, …,
K}.
4. Badanie istotnoci zmian wartoci parametrów diagnostycznych {yj(4k)}w zalenoci
od stanu {si = f(4k); 4k(41, 4b)}, tzn. który z parametrów diagnostycznych „najlepiej”
opisuje stan si:
a) Za pomoc metody badania odlegoci pomidzy przedziaami ufnoci rednich
wartoci parametrów diagnostycznych w przypadku badania grupy obiektów
(liczba obiektów wiksza od 10). Odpowiednio przyjmuje si wartoci: 1 – gdy test
wykae, e przedziay ufnoci rednich parametrów {{yjl}(41)} i {{yjl}(4k)}nie
maj punktów wspólnych oraz 0, gdy gdy test odlegoci wykae e przedziay
ufnoci rednich parametrów {{yjl}(41)} i {{yjl}(4k)}maj punkty wspólne.
b) Za pomoc relacji zmiennoci wartoci parametrów diagnostycznych w przypadku,
gdy rozpatruje si pojedynczy obiekt grupy obiektów – zbiór wartoci {yj(4k)}.
Odpowiednio przyjmuje si wartoci: 1 oraz 0.
W przypadku, gdy zbiór {si = f(4k)} jest zbiorem wieloelementowym wyniki bada
istotnoci zmian wartoci parametrów diagnostycznych {yj(4k)}w zalenoci od stanu {si =
f(4k); 4k(41, 4b)} s tosame dla wszystkich stanów {si = f(4k)}.
5. Wyznaczenie macierzy boolowskiej:
a) 1 – gdy zmiana stanu si powoduje istotne zmiany wartoci parametru
diagnostycznego yj;
b) 0 – gdy zmiana stanu si nie powoduje istotnych zmian wartoci parametru
diagnostycznego yj.
6. Wyznaczenie testu kontroli stanu TKS na podstawie macierzy boolowskiej – test TKS
jako wektor wartoci logicznych (0, 1) parametrów diagnostycznych i tosamy jemu
wektor stanów: {(y1, …, yn, …, yN )} Ÿ S0 › S1 = {(s1, …, sn, …, sN ) dla stanu zdatnoci
S0 i stanu niezdatnoci S1.
7. Wyznaczenie testu lokalizacji uszkodze TLU na podstawie macierzy boolowskiej – test
TLU jako wektor wartoci logicznych <0, 1> parametrów diagnostycznych i tosamy jemu
wektor stanów: {(y1, …, yn, …, yN )} Ÿ S1 = {(s1, …, sn, …, sN ), przy czym:
a) jeeli warto logiczna wektora sprawdze parametru diagnostycznego przyjmuje
warto „1” – warto parametru jest w przedziale wartoci granicznej;
Monitorowanie stanu systemu Kierowca – rodek transportowy – Droga
489
b) jeeli warto logiczna wektora sprawdze parametru diagnostycznego przyjmuje
warto „0” – warto parametru jest poza przedziaem wartoci granicznych.
Przeprowadzona prezentacja moliwoci budowy testów diagnostycznych systemu K–
ST–D pozwala na sformuowanie nastpujcych wniosków:
1. Ze wzgldu na preferencj przy wyborze parametrów diagnostycznych metody
podobiestwa oraz sposobu badania zalenoci parametr diagnostyczny – stan naley, w
celu budowy macierzy diagnostycznej, wybra dla elementów systemu (n t 10) –
metod badania odlegoci przedziaów ufnoci wartoci redniej parametru
diagnostycznego, za dla pojedynczego elementu systemu – metod badania zmiennoci
wartoci parametru diagnostycznego.
2. Ze wzgldu na powysze w celu wyznaczenia testu kontroli stanu i lokalizacji
uszkodze proponuje si wybra metod wektora sprawdze.
2.3. PROCEDURA GENEZOWANIA STANU
Podejmujc rozwaania na temat genezowania stanu systemu K–ST–D nie mona
wykaza wyszoci pewnych metod genezowania nad innymi, bowiem zaley to, jaki
obiekt jest przedmiotem bada oraz jaki jest cel genezowania stanu elementów systemu.
Rozwaa si zawsze:
a) posta genezy (warto genezowana symptomu, szacowany stan w przeszoci,
warto wykonanej przez ni w przeszoci pracy lub okrelenie przyczyny stanu
niezdatnoci systemu);
b) wpyw zmiany warunków eksploatacji i czynnoci obsugowych na waciwoci
eksploatacyjne systemu, które naley uwzgldni przy wyborze metody
genezowania;
c) moliwe do wykorzystania metody genezowania (np. metody jakociowe,
zmodyfikowane metody symptomowe).
Algorytm genezowania stanu wedug schematu szacowania wartoci parametrów
diagnostycznych zawiera nastpujce elementy [6]:
1. Genezowanie wartoci zbioru parametrów diagnostycznych {yj*}:
a) za pomoc metody aproksymacji wartoci parametru diagnostycznego yj*
w przedziale czasu (41,4b) wraz z promieniem bdu aproksymacji „kanau
bdowego” ra metodami (metoda redniokwadratowa);
b) za pomoc interpolacji wartoci parametru diagnostycznego yj* w przedziale czasu
(41,4b) wraz z promieniem bdu interpolacji „kanau bdowego” ri metodami
(metoda funkcji sklejanych 1, 2 i 3 stopnia);
c) wybór metody wedug minimalnej lub maksymalnej wartoci promienia bdu
aproksymacji lub interpolacji (bd dopasowania eG).
2. Analiza przyczyny wystpienia stanu si(TLU):
a) okrelenie punktu wspólnego „kanau bdowego” wyznaczonego przez promie
bdu r*j= max (rja, rji) i warto graniczn parametru diagnostycznego yj*w chwili
4S(41,4b), co oznacza e przyczyn wystpienia zlokalizowanego stanu si byo
„chwilowe pojawienie” si tego stanu w czasie (41,4b);
490
Henryk Tylicki, Bolesaw Ochodek
b) okrelenie wikszej liczby punktów wspólnych „kanau bdowego” wyznaczonego
przez promie bdu r=max (ra, ri) i wartoci granicznej parametru diagnostycznego
yj* w chwilach 4s(41,4b) oznacza, e przyczyn wystpienia zlokalizowanego
stanu si by „narastajcy rozwój” stanu si w czasie (41,4b);
c) w przypadku braku punktów wspólnych okrelenie minimalnej odlegoci „kanau
bdowego” od wartoci granicznej w chwili 4S(41,4b), co oznacza e
prawdopodobn przyczyn wystpienia zlokalizowanego stanu si byo „chwilowe
niepene pojawienie si ” si tego stanu w czasie (41,4b);
d) analiza zbioru stanów {si (4k), k=1, …, K}i zlokalizowanego przez TLU stanu si
w celu okrelenia przyczyny jego wystpienia w kontekcie otrzymanych
ewentualnych „punktów wspólnych” lub minimalnej odlegoci „zblie”.
2.4. PROCEDURA PROGNOZOWANIA STANU
Algorytm prognozowania stanu elementów systemu K–ST–D zawiera nastpujce etapy
[1,6,7,8]:
1. Prognozowanie wartoci parametru diagnostycznego yj*:
a) za pomoc metody adaptacyjnej Browna – Mayera rzdu 1 (B-M1)
z wspóczynnikiem D= (0,5 – 0,8) i dla horyzontu prognozy W = (1 – 3)'4
wyznaczonej dla przedziau czasu (41,4b);
b) za pomoc metody adaptacyjnej Holta z wspóczynnikiem D1=(0,6 – 0,8) i D2=(0,4
– 0,8) dla horyzontu prognozy W = (1 – 3)'4 wyznaczonej dla przedziau czasu
(41,4b);
c) za pomoc metod analitycznych (liniowa, wykadnicza, potgowa pierwszego,
drugiego i trzeciego rzdu dla horyzontu prognozy W = (1 – 3)'4 wyznaczonej dla
przedziau czasu (41,4b).
2. Wyznaczenie terminu nastpnego obsugiwania elementów systemu K–ST–D 4d:
a) 4d1 za pomoc metody poziomowania bdu prognozy dla promienia bdu
prognozy rp (dla poziomu istotnoci E1=0,05; E2=0,1) wedug zalenoci:
dla yj(4b) > yjg :
4jd1 = 4jb +
W >y j (4 b ) y jg rV @
y j ( 4 b ) y j , p (4 b W )
(3)
dla yj(4b) < yjg :
4jd1 = 4jb +
W >y jg y j (4 b ) rV @
y j , p ( 4 b W ) y j (4 b )
(4)
gdzie: rV - promie przedziau bdu prognozy (obliczany a’posteriori,
odpowiednio dla kadej metody wyznaczania wartoci prognozowanej yj,p(4b+W));
b) 4d2 za pomoc metody poziomowania wartoci granicznej parametru
diagnostycznego (yjg1= yjg; yjg1= yjg +J(yjn – yjg) dla yjn > yjg oraz yjg1= yjg; yjg1= yjg
– J (yjg – yjn) dla yjg > yjn), np. dla J =0,1:
Monitorowanie stanu systemu Kierowca – rodek transportowy – Droga
dla yj(4b) > yjg :
4jd2 = 4jb +
dla yj(4b) < yjg :
4jd2 = 4jb +
491
W >y j (4 b ) y jg1 @
(5)
W >y jg1 y j (4 b )@
(6)
y j ( 4 b ) y j , p (4 b W )
y j , p ( 4 b W ) y j (4 b )
c) wyznaczenie terminu obsugiwania elementów systemu K–ST–D: 4d*= min (4d1,
4d2).
3. PODSUMOWANIE
Przeprowadzona prezentacja rónych procedur i algorytmów monitorowania stanu
elementów systemu K–ST–D pozwala na sformuowanie nastpujcych wniosków:
1. Wszystkie prezentowane procedury i algorytmy pozwalaj wyznaczy optymalne, ze
wzgldu na przyjmowane kryteria, elementy monitorowania stanu:
a) zbiór parametrów diagnostycznych;
b) test kontroli stanu i lokalizacji uszkodze;
c) genez wartoci parametrów diagnostycznych i oszacowanie przyczyny stanu;
d) prognoz wartoci parametrów diagnostycznych i oszacowanie terminu
obsugiwania;
2. Ze wzgldu na powysze przedstawione procedury i algorytmy mog stanowi podstaw
do wyznaczania regu wnioskowania i budowy pokadowego systemu monitorowania stanu
w zakresie:
a) wyznaczenia optymalnego zbioru parametrów diagnostycznych;
b) wnioskowania o stanie elementów systemu K–ST–D i lokalizacji jego uszkodze;
c) szacowania wartoci parametrów diagnostycznych w przeszoci i oszacowanie
przyczyny stanu elementów systemu K–ST–D w chwili badania;
d) szacowania wartoci parametrów diagnostycznych w przyszoci i oszacowanie
terminu nastpnego obsugiwania elementów systemu K–ST–D.
Bibliografia
1. Batko W.: Metody syntezy diagnoz predykcyjnych w diagnostyce technicznej. Mechanika, z. 4. Zeszyty
Naukowe AGH, Kraków 1984.
2. Cholewa W., Kamierczak J.: Data processing and reasoning in technical diagnostcs. WNT, Warszawa
1995.
3. Niziski S.: Pokadowy i stacjonarny system rozpoznawania stanu maszyn. Opracowanie
niepublikowane, UWM Olsztyn 2006, s.17-24.
4. Tylicki H.: Optymalizacja procesu prognozowania stanu technicznego pojazdów mechanicznych.
Wydawnictwa Uczelniane ATR, Bydgoszcz 1998.
492
Henryk Tylicki, Bolesaw Ochodek
5. Tylicki H.: Problemy rozpoznawania stanu maszyn, 3rd International Congress of Technical Diagnostics,
Diagnostics ' 2004, Pozna 2004.
6. Tylicki H.: Monitorowanie stanu rodków transportowych. TRANSCOMP 2009 – International
Conference Computer Systems Aided Science, Industry and Transport. Zakopane 2009.
7. Williams E.J., Messina A.: Applications of the Multiple Damage Location Assurance Criterion,
Proceedings of the International Conference on Damage Assessment of Structures (DAMAS 99), Dublin,
Ireland, 1999, pp. 256-264.
8. ótowski B.: Podstawy diagnostyki technicznej. Wydawnictwa uczelniane ATR, Bydgoszcz 1997.
THE MONITORING CONDITION SYSTEM DRIVER - THE TRANSPORT
VEHICLE - ROAD
Summary: In the study the problems marks the algorithms monitors the condition system Driver- Transport
Vehicle-Road. This makes up the basis to the of the rule of inference of diagnostic study and the building of
the deck system of monitoring the state.
Keywords: the system Driver-Transport Vehicle-Road, the monitoring condition system