Двоично-разностные и спектрально-сигнатурные методы технической диагностики микропроцессорных информационно-управляющих систем на железнодорожном транспорте

Актуальность темы

исследования.

Железнодорожный транспорт является системообразующим элементом экономики Российской Федерации. Качество работы железнодорожного транспорта напрямую влияет на успешное развитие производства в масштабах страны. Для поддержки необходимого уровня качества работы железнодорожного транспорта требуется непрерывное совершенствование процессов управления транспортными перевозками и эффективное использование имеющихся технических средств, в том числе систем и устройств автоматизации и управления.

Рост производительности труда, экономия топливно-энергетических ресурсов и трудозатрат во многом могут быть достигнуты благодаря совершенствованию технологии автоматизированного управления движением поездов, за счет уменьшения простоев, задержек и сбоев графика движения и внедрению более надежных устройств автоматизации технологических процессов. Проблемы надежности устройств автоматизации приобретает все большее значение по мере увеличения сферы применения цифровой вычислительной техники в микропроцессорных информационно-управляющих системах (МИУС) на железнодорожном транспорте. Одним из подходов к решению этих проблем является разработка алгоритмических методов диагностики технического состояния объектов, или, другими словами, разработка методов контроля и поиска неисправностей.

Особенное значение задача технической диагностики приобретает в свете осуществляемого в настоящее время на железнодорожном транспорте перехода от автоматизации отдельных операций к централизованным информационно-управляющим комплексам, позволяющим автоматизировать весь перевозочный процесс. Эффективность управления в таких комплексах зависит от надежного функционирования систем и устройств низовой железнодорожной автоматики, а безотказность зависит от применяемых в устройствах автоматики систем и средств технического диагностирования.

Проведение процессов технического диагноза требуется на всех этапах жизненного цикла аппаратного и программного обеспечения информационно-управляющих систем и устройств железнодорожного транспорта. В связи с постоянно возрастающей сложностью цифровых устройств, применяемых на железнодорожном транспорте, важное значение приобретает как экономическая сторона исполнения технической диагностики, так и универсальность и реализуемость методов контроля и обнаружения неисправностей для целых классов устройств.

В результате требования универсальности появляются новые качественные аспекты, характеризующие объект диагноза, которые требуют разработки новых математических моделей, а также новых алгоритмов технической диагностики. Это определило выбор темы исследования.

Анализ и теоретическое обобщение состояния технической диагностики для МИУС на железнодорожном транспорте, построенных на базе микропроцессорной вычислительной техники, показал наличие большого числа неструктурированных и математически неформализованных методов контроля неисправностей, в связи с чем был сделан вывод о нерешенности проблемы и сформулированы основные направления диссертационной работы.

1. Разработка единой концепции математического обеспечения технического диагностирования МИУС на железнодорожном транспорте.

2. Выбор математического аппарата технической диагностики, подходящего для обнаружения неисправностей, как в аппаратном, так и в программном обеспечении.

3. Формальная постановка задач технической диагностики, при которой за основу берется математический аппарат булева дифференциального исчисления и математический аппарат спектральных преобразований булевых функций.

4. Разработка вычислительно эффективных методов и процедур технической диагностики аппаратного и программного обеспечения МИУС.

Степень разработанности проблемы.

Перед постановкой задач диссертации были проведены многочисленные исследования, касающиеся проблем автоматизации на железнодорожном транспорте и технической диагностики.

Проблемы развития железнодорожного транспорта, пути инновационных внедрений новых технологий автоматизации и управления транспортными системами, экономические аспекты применения новых технологических решений содержатся в работах В. А. Гапановича, В. М. Кайнова, В. И. Якунина.

Основополагающие работы в области МИУС, систем горочной автоматизации принадлежат В. Н. Иванченко, С. М. Ковалеву, H.H. Лябаху,.

A.Н. Шабельникову.

Проблемы технической диагностики и устройства микропроцессорных централизаций рассматриваются в работах И. Д. Долгого, В. А. Кононова, С. А. Куренкова, A.A. Лыкова, O.A. Наседкина, А. Б. Никитина A.A. Прокофьева, М. С. Трясова.

Технологической безопасности автоматизированных систем управления на транспорте посвятили свои работы E.H. Розенберг, И. Н. Розенберг.

В области технической диагностики на железнодорожном транспорте, логико-алгебраического моделирования, математических моделей технической диагностики выделяются труды следующих ученых: И. А. Биргера, Г. В. Дружинина, Г. Майерса, П. П. Пархоменко, Д. А. Поспелова, В.В. Сапожни-кова, Вл.В. Сапожникова, И. Б. Шубинского, И. А. Ушаковав области дифференциального исчисления логических функций — работы С. Б. Акерса, Д. Бохманна, В. А. Горбатова, М. Д. Давио, К. Постхоффа, Б. Стейнбаха, А. Тейза, С. Н. Янушкевичв теории конечных полей — труды Р. Лидла, Г. Нидеррайдера, в области спектрального представления логических функций — труды Й. Т. Астола, М. Г. Карповского, Б. И. Голубова, A.B. Ефимова,.

B.А. Скворцова.

В настоящее время отсутствует единая методология математического описания средств технической диагностики автоматизированных информационно-управляющих систем, построенных на базе средств вычислительной техники. Это определило цель и задачи диссертационного исследования.

Цель и задачи диссертационного исследования.

Основной целью диссертационного исследования является развитие теоретических принципов двоично-разностной и спектрально-сигнатурной технической диагностики, их реализация в виде математического обеспечения и вычислительных схем и применение разработанных методов и подходов в автоматизированных информационно-управляющих системах на железнодорожном транспорте.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Нахождение путей различения работоспособных и неработоспособных состояний по методу дифференциальной двоично-разностной технической диагностики состояний логических схем устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

2. Развитие методов дифференциальной двоично-разностной технической диагностики состояний в виде методов анализа контролепригодности цифровых устройств МИУС на железнодорожном транспорте.

3. Разработка концепции анализа контролепригодности устройств, входящих в состав МИУС на железнодорожном транспорте.

4. Разработка компактных принципов спектральной диагностики состояний, включающих преобразования Уолша-Адамара для составления спектральной сигнатуры логической схемы устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

5. Анализ условий программного управления с целью выделения критериев технологической безопасности управляющего программного обеспечения МИУС на железнодорожном транспорте для обеспечения минимизации риска от неисправного функционирования систем.

6. Определение двоично-разностных универсальных условий для обнаружения ошибок в программном обеспечении МИУС, представляемом в виде технологических алгоритмов на основе формальных булевых спецификаций.

Объектом исследования в диссертации являются МИУС, применяющиеся на различных участках автоматизации технологических процессов железнодорожного транспорта, разрабатываемые на базе цифровых программно-управляемых устройств.

Предметом исследования являются модели и методы технической диагностики и реализации информационно-управляющих систем и устройств с возможностями самодиагностики.

Методы исследования основываются на использовании фундаментальных исследований в области логического дифференциального исчисления, математического моделирования дискретных систем над конечными полями, спектральных преобразований логических функций, современных методов технической диагностики программного и аппаратного обеспечения информационных систем (ИС).

Экспериментальная проверка разработанных моделей и методов осуществлялась путем программной проверки в среде МаНаЪ предложенных вычислительных схем и алгоритмов.

Объект, предмет и методы исследования отвечают формуле специальности 05.13.06, так как содержанием работы является разработка методов моделирования, математического, алгоритмического обеспечения, повышения надежности и технической диагностики автоматизированных систем управления технологическими процессами и соответствуют пунктам паспорта специальности: «4. Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация», «12. Методы контроля, обеспечения достоверности, защиты и резервирования информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП,.

АСТПП и др.", «13. Теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации», «14. Теоретические основы, методы и алгоритмы диагностирования, (определения работоспособности, поиск неисправностей и прогнозирования) АСУТП, АСУП, АСТПП и др.».

Научная новизна работы заключается в теоретическом развитии методов булева дифференциального исчисления и спектральных преобразований логических функций и разработке на их основе новых классов универсальных логико-алгебраических моделей технической диагностики.

К наиболее существенным научным результатам относятся следующие результаты.

1. На основе существующих моделей и подходов технической диагностики цифровых устройств предложена формальная автоматная модель технической диагностики для широкого класса цифровых устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

2. Формализована задача поиска неисправностей в логических схемах цифровых устройств железнодорожной автоматики и телемеханики в терминах зарекомендовавших себя математических методов двоично-разностной и спектрально-сигнатурной диагностики.

3. Разработаны следующие математические модели неисправностей в цифровых устройствах автоматизированных систем управления: параметрическая модельфункциональная модельдифференциальная моделькратная модель неисправностей.

4. Предложена модель анализа контролепригодности аппаратных средств МИУС на железнодорожном транспорте и ряд новых коэффициентов расчета контролепригодности.

5. На основе аппарата булева дифференциального исчисления сформулировано общее условие контролепригодности комбинационных схем цифровых устройств МИУС к различным видам неисправностей типа замыканий.

6. Доказано утверждение о разрешимости логического дифференциального уравнения, позволяющее решить логическое дифференциальное уравнение над конечным полем с помощью рекурсивного расчета частных логических производных.

7. Предложена новая модель, устанавливающая связь между коэффициентами спектрального преобразования логической функции и двоично-разностными коэффициентами (булевыми производными) логической функции, позволившая предложить вычислительно эффективный метод спектрально-сигнатурной диагностики МИУС на железнодорожном транспорте.

8. Новая модель автокорреляционного тестирования аппаратных средств МИУС на железнодорожном транспорте, и утверждение, полезное для обнаружения неисправностей, использующее свойства автокорреляционной функции булевой функции.

9. На базе двоично-разностных методов предложены новые модели, определяющие условия обнаружения ошибок в двоичных формальных программных спецификациях, записанные в виде предикатных и символьных выражений.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Постановка и решение задачи технической диагностики МИУС в виде автоматной модели технического диагноза.

2. Постановка и решение задачи дальнейшего развития двоично-разностного и спектрально-сигнатурного методов для целей обнаружения неисправностей в логических схемах и устройствах МИУС.

3. Метод анализа контролепригодности аппаратных средств МИУС, в результате которого предложены и доказаны утверждения, позволяющие оценивать контролепригодность комбинационных схем к неисправностям вида «монтажное И», «монтажное ИЛИ».

4. Численные формулы, позволяющие рассчитывать коэффициенты контролепригодности МИУС, приспособленности к техническому диагностированию и самопроверке.

5.Метод решения логического дифференциального уравнения над конечным полем на основе рекурсивного расчета булевых производных.

6. Метод быстрого спектрального преобразования логических функций для нахождения булевых производных.

7. Метод составления спектральной сигнатуры для диагностики МИУС, в результате которого предложены утверждения, раскрывающие взаимосвязь спектра булевой функции и булевых производных.

8. Вычислительная схема алгоритма спектрально-сигнатурной диагностики МИУС.

9. Метод спектральной генерации тестов для диагностики МИУС.

10. Метод автокорреляционного тестирования аппаратных средств МИУС на основе автокорреляционной функции булевой функции.

11. Критерии технологической безопасности программного обеспечения с точки зрения степени технологического риска системы в процессе своего функционирования и методика анализа условий технологически безопасного программного обеспечения.

12. Методы обнаружения программных ошибок различных классов на основе двоично-разностных методов булева дифференцирования, применимые для формальных булевых спецификаций программного обеспечения, записываемых в дизъюнктивной нормальной форме и в произвольной символьной форме.

Теоретическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке общих принципов и универсальных математических моделей, подходящих для технической диагностики широкого класса цифровых программно-управляемых устройств, применяемых в управлении технологическими процессами на железнодорожном транспорте.

Практическая значимость состоит в том, что разработанные в работе методы, подходы и алгоритмы внедрены в конкретных системах автоматизации технологических процессов, а именно в подсистеме распределенной системы технического диагностирования и мониторинга (СТДМ) автоматизации диагностирования и контроля устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (АДК-СЦБ).

Внедрены и практическую ценность представляют следующие результаты:

1. Метод анализа контролепригодности аппаратных средств распределенной системы диагностирования и мониторинга.

2. Метод составления спектральной сигнатуры подсистем диагностики, повышающий качество контроля, мониторинга и прогнозирования технологического процесса обслуживания станционных и перегонных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

3. Метод спектральной генерации тестов для комбинационных схем, встраиваемых в распределенную систему диагностирования и мониторинга.

Перечисленные результаты позволили повысить качество функционирования систем диагностики объектов автоматизации.

Результаты диссертационного исследования внедрены в СТДМ АДК-СЦБ, разработанную НПП «Югпромавтоматизация» (г. Ростов-на-Дону).

Достоверность научных и практических результатов работы. Научные положения, результаты и выводы, сформулированные в диссертации, являются строго аргументированными. Разработанные математические методы и модели основываются на известных в теории булева дифференциального исчисления и спектрального преобразования булевых функций фундаментальных понятиях и подходах. Достоверность теоретических результатов, связанных с задачами разработки новых логико-алгебраических и спектральных методов в технической диагностике, подтверждается обоснованностью поставленных задач, формулировок основных утверждений и определений, корректностью математических доказательств. Достоверность результатов и выводов подтверждается данными экспериментальных исследований и имитационных экспериментов, а также результатами внедрения предложенных методов в функционирующие системы мониторинга и диагностики устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и одобрены на заседании кафедры «Прикладной математики и вычислительной техники» Ростовского государственного строительного университета, совместном заседании кафедр «Информатика» и «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» Ростовского государственного университета путей сообщения. Результаты апробированы на ряде международных научно-практических конференций: V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (2009 г.) — Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (2009 г.) — V Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте ТрансЖАТ — 2010" — XI Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (2010 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011».

Публикации. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты нашли свое отражение в 10 печатных работах, 5 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников из 85 наименований, заключения, приложения. Общий объем диссертации 158 страниц.

Основные результаты работы связаны с развитием математического обеспечения технической диагностики систем автоматизации технологических процессов на железнодорожном транспорте, базой построения которых являются программно-управляемые цифровые устройства. Разработанные в диссертации методы служат для создания единой универсальной концепции технической диагностики с применением двоично-разностных и спектрально-сигнатурных методов и предназначены для повышения надежности, бесперебойности, отказоустойчивости и технологической безопасности аппаратных и программных средств МИУС на железнодорожном транспорте, а также для возможностей самодиагностики их подсистем и онлайновой диагностики в процессе функционирования. При решении этих проблем получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Выполнена формальная постановка задач технической диагностики МИУС с единых методологических позиций в виде модели автоматного диагноза, при которой за основу берутся математические методы булева дифференциального исчисления и спектральных преобразований булевых функций.

2. Развиты математические модели и методы булева дифференциального исчисления в направлении выявления в аппаратном обеспечении МИУС трудно обнаруживаемых классов неисправностей, связанных с различными видами замыканий.

3. На основе развития булевых дифференциалов предложены четыре новых модели неисправностей МИУС, описываемых в терминах обобщенных булевых функций: параметрическая модель, функциональная модель, дифференциальная модель и модель кратных неисправностей.

4. Разработана концепция анализа контролепригодности устройств, входящих в состав МИУС, заключающаяся в оценке приспособленности объектов к проведению технического диагностирования и самодиагностирования, в результате которой разработаны числовые показатели контролепригодности.

5. Предложен новый метод анализа контролепригодности на основе булева дифференциального исчисления, и сформулировано общее условие контролепригодности комбинационных схем цифровых устройств к различным видам аппаратных неисправностей, связанных с замыканиями входов и выходов логических схем.

6. Предложена дифференциально-логическая модель системы с неисправностями, описываемой как система над конечным полем. Модель дается в виде булева дифференциального уравнения, и предлагается метод его решения с помощью рекурсивного расчета частных булевых производных. Предложен также метод расчета коэффициентов чувствительности логической схемы к неисправностям, использующий спектральные преобразования.

7. Предложен метод быстрого спектрального преобразования логической функции с целью нахождения булевых производных логической функции.

8. Предложен метод составления спектральной сигнатуры для диагностики МИУС, использующий взаимосвязь спектра и булевых производных булевой функции. Предложена вычислительная схема алгоритма спектрально-сигнатурной диагностики МИУС.

9. Предложен метод спектральной генерации тестов для технической диагностики МИУС.

10. Разработан метод автокорреляционного тестирования неисправностей аппаратной части МИУС.

11. Разработана методика формализации критериев технологической безопасности и анализа безопасного программного управления для программного обеспечения МИУС. Результатом методики является построение формальной логической спецификации программного обеспечения.

12. Предложен метод обнаружения ошибок в программных спецификациях на основе двоично-разностного подхода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.