Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОНИТОРИНГА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ

Изобретения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области технической диагностики и могут использоваться в системах автоматизированного контроля цифровых систем передачи (ЦСП).

Известен способ поиска неисправностей блоков в динамической системе, позволяющий диагностировать системы автоматического управления и их элементы (патент RU №2473106 от 28.02.2012 г.).

Известно устройство «Автоматизированная контрольно-проверочная аппаратура», позволяющее производить контроль технического состояния многоканальных систем связи и устройств управления авиационными средствами поражения летательных аппаратов (ЛА) и их составных частей при предполетной подготовке ЛА (патент RU №2474861 от 27.09. 2011 г.).

Наиболее близким по технической сущности для способа и устройства, его реализующего является устройство «Система автоматизированного контроля работоспособности и диагностики неисправностей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)», патент RU №2488872, от 23.07.2012 г. Данное устройство выбрано в качестве прототипа для заявленного способа и устройства, его реализующего.

Устройство-прототип «Система автоматизированного контроля работоспособности и диагностики неисправностей радиоэлектронной аппаратуры» реализует следующие материальные действия. Формирует тестовые сигналы и подает их на входы объекта контроля, который подключен к выходам программно-управляемых источников тестовых сигналов и входам измерителя параметров сигналов отклика. Подает на входы идентификатора объекта контроля, установленного на объекте контроля, с соответствующих выходов программно-управляемых источников тестовых сигналов комбинацию опросных сигналов, измеряет с помощью дополнительных каналов измерителя параметров сигналов отклика идентификационные сигналы и формирует на их основе идентификационный код. Передает сформированный идентификационный код с выходов соответствующих каналов измерителя параметров сигналов отклика в ЭВМ, где происходит идентификация подключенного объект контроля. После этого измеряет параметры сигнала отклика с выходов объекта контроля с помощью измерителя параметров сигналов отклика и передает полученную информацию в ЭВМ.

В состав устройства-прототипа «Система автоматизированного контроля работоспособности и диагностики неисправностей РЭА» входит объект контроля, который через сменный адаптер подключен к программно-управляемым источникам входных тестовых сигналов и к входам измерителей параметров сигналов отклика. Входы программно-управляемых источников входных тестовых сигналов и выходы измерителей параметров сигналов отклика подключены к соответствующим управляющим выходам и входам ЭВМ. На сменном адаптере установлен идентификатор адаптера, входы которого подключены к выходам дополнительных каналов программно-управляемых источников входных тестовых сигналов, а выходы, которого подключены к входам дополнительных каналов измерителей параметров сигналов отклика.

В объекте контроля расположен идентификатор объекта контроля, входы которого через цепи сменного адаптера подключены к дополнительным выходам программно-управляемых источников входных тестовых сигналов, выходы, которого через соответствующие цепи сменного адаптера подключены к входам дополнительных каналов измерителей параметров сигналов отклика.

Общим недостатком аналогов и прототипа является низкая достоверность диагностирования радиоэлектронной аппаратуры вследствие отсутствия возможности прогнозирования технического состояния на заданный интервал времени.

Задачей изобретений является создание способа мониторинга цифровых систем передачи и устройства, его реализующего, позволяющих повысить достоверность диагностирования цифровых систем передачи за счет вероятностного прогнозирования возникновения отказов, ошибок (сбоев) на заданный интервал времени.

Эта задача решается тем, что способ мониторинга цифровых систем передачи заключающийся в том, что формируют тестовые сигналы с помощью комплекта программно-управляемых источников тестовых сигналов и подают сформированные тестовые сигналы на входы объекта контроля, который подключен к выходам программно-управляемых источников тестовых сигналов и входам измерителя параметров сигналов отклика, с помощью сменного адаптера подают на входы идентификатора объекта контроля, установленного на объекте контроля, с соответствующих выходов программно-управляемых источников тестовых сигналов комбинацию опросных сигналов, измеряют с помощью дополнительных каналов измерителя параметров сигналов отклика идентификационные сигналы и формируют на их основе идентификационный код, передают сформированный идентификационный код с выходов соответствующих каналов измерителя параметров сигналов отклика в ЭВМ, идентифицируют с помощью ЭВМ подключенный объект контроля, измеряют параметры сигнала отклика с выходов объекта контроля с помощью измерителя параметров сигналов отклика и передают полученную информацию в ЭВМ, отличается тем, что в ЭВМ формируют базу данных диагностических тестов и эталонных значений идентификационных кодов, по заданному типу n-го объекта контроля из базы данных ЭВМ определяет логически связанные между собой: идентификационный код n-го сменного адаптера и идентификационный код n-го объекта контроля, перед началом контроля заданный n-й объект контроля через n-й сменный адаптер подключают к комплекту программно-управляемых источников тестовых сигналов, который формирует комбинации тестовых сигналов и с соответствующих выходов подает их на вход n-го идентификатора сменного адаптера и вход n-го идентификатора объекта контроля, с помощью дополнительных каналов измерителя параметров сигналов отклика измеряют параметры и характеристики n-го объекта контроля и передают соответствующие идентификационные сигналы в устройство управления, которое на основе идентификационных сигналов формирует идентификационные коды n-го сменного адаптера и n-го объекта контроля и передает их в ЭВМ, которая сравнивает полученные идентификационные коды с эталонным значением и идентифицирует подключенный n-й объект контроля и n-й сменный адаптер, после этого ЭВМ формирует сообщение о пригодности n-го сменного адаптера для проведения диагностирования n-го объекта контроля и передает его в комплект программно-управляемых источников тестовых сигналов, который формирует комбинацию тестовых сигналов и через n-й сменный адаптер передает их в n-й объект контроля, с выходов n-го объекта контроля на входы измерителя параметров сигналов отклика поступает ответная комбинация тестовых сигналов, измеритель параметров сигналов отклика измеряет поступившую ответную комбинацию тестовых сигналов и передает ее в устройство управления, которое передает ответную комбинацию тестовых сигналов в ЭВМ, которая на основании полученной информации определяет техническое состояние заданного n-го объекта контроля в момент времени t₁ и передает информацию о техническом состоянии заданного n-го объекта контроля в устройство управления, с помощью которого данная информация поступает в устройство вероятностного прогнозирования с целью прогнозирования технического состояния подключенного n-го объекта контроля на заданный интервал времени, устройство вероятностного прогнозирования по команде от устройства управления подключается к n-му объекту контроля и прогнозирует техническое состояние подключенного n-го объекта контроля на заданный интервал времени t₁+Δt, после этого с выходов измерителя параметров сигналов отклика и выходов устройства вероятностного прогнозирования на вход устройства управления передаются сигналы отклика о техническом состоянии n-го объекта контроля в момент времени t₁ и сигналы отклика прогнозируемого технического состояния n-го объекта контроля в момент времени t₁+Δt соответственно, на основании полученной информации устройство управления формирует идентификационные коды на заданный интервал времени t₁ и интервал времени t₁+Δt, после этого устройство управления передает сформированные идентификационные коды в ЭВМ, которая сравнивает полученные идентификационные коды и формирует решение по выбору наилучшего n-го объекта контроля на время t₁+Δt, на основе сформированного решения оператор с помощью ЭВМ производит переключение на n-й объект контроля, обладающий наилучшими параметрами и характеристиками.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения достоверности диагностирования ЦСП за счет вероятностного прогнозирования возможности возникновения отказов, ошибок (сбоев) на заданный интервал времени и возможности проведения мониторинга нескольких объектов контроля одновременно.

Задача изобретения решается тем, что устройство, реализующее способ мониторинга цифровых систем передачи, содержащее в своем составе: ЭВМ, выход которой соединен с входом комплекта программно-управляемых источников тестовых сигналов, первый выход которого соединен с входом сменного адаптера, второй выход соединен с входом установленного на сменном адаптере идентификатора адаптера, выход которого соединен с первым входом измерителя параметров сигналов отклика, первый выход сменного адаптера соединен с входом объекта контроля, второй выход сменного адаптера соединен с входом идентификатора объекта контроля, выход которого соединен через сменный адаптер со вторым входом измерителя параметров сигналов отклика, отличается тем, что введено: n-сменных адаптеров, n-объектов контроля, устройство вероятностного прогнозирования, устройство управления, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами измерителя параметров сигналов отклика соответственно, третий вход соединен с выходом ЭВМ, а четвертый вход - со вторым выходом устройства вероятностного прогнозирования, первый выход устройства управления соединен с входом ЭВМ, а второй выход - с первым входом устройства вероятностного прогнозирования, первый выход которого соединен с входом n-го объекта контроля.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения достоверности диагностирования ЦСП за счет вероятностного прогнозирования возможности возникновения отказов, ошибок (сбоев) на заданный интервал времени и возможности проведения мониторинга нескольких объектов контроля одновременно.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленных способа и устройства, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретений условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных изобретений, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленных изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» введенных элементов обусловлена наличием элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены.

Заявленные объекты изобретения поясняются чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - алгоритм действий при мониторинге ЦСП;

фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего способ мониторинга ЦСП;

фиг. 3 - структурная схема устройства вероятностного прогнозирования;

фиг. 4 - алгоритм работы устройства вероятностного прогнозирования;

фиг. 5 - структурная схема микропроцессора;

фиг. 6 - алгоритм работы устройства управления.

Алгоритм действий при мониторинге ЦСП представлен на фиг. 1, где в блоке 1 определяют и вводят необходимые исходные данные: количество объектов контроля, количество сменных адаптеров и количество идентификаторов объектов контроля. В блоке 2 формируют тестовые сигналы с помощью комплекта программно-управляемых источников тестовых сигналов и подают сформированные тестовые сигналы на входы объекта контроля, который подключен к выходам программно-управляемых источников тестовых сигналов и входам измерителя параметров сигналов отклика. В блоке 3 измеряют с помощью дополнительных каналов измерителя параметров сигналов отклика идентификационные сигналы и формируют на их основе идентификационный код. В блоке 4 передают сформированный идентификационный код с выходов соответствующих каналов измерителя параметров сигналов отклика в ЭВМ и идентифицируют с помощью ЭВМ подключенный объект контроля. В блоке 5 измеряют параметры сигнала отклика с выходов объекта контроля с помощью измерителя параметров сигналов отклика и передают полученную информацию в ЭВМ. В блоке 6 формируют базу данных диагностических тестов и эталонных значений идентификационных кодов. В блоке 7 определяют идентификационный код n-го сменного адаптера и идентификационный код n-го объекта контроля. В блоке 8 подключают n-й объекта контроля к комплекту прграммно-управляемых источников тестовых сигналов (КПУИТС). В блоке 9 формируют и подают комбинацию тестовых сигналов на вход n-го идентификатора сменного адаптера и n-го объекта контроля. В блоке 10 измеряют сигналы отклика n-го объекта контроля и передают эти сигналы в устройство управления (УУ). В блоке 11 устройство управления формирует идентификационные коды n-го сменного адаптера и n-го объекта контроля и передает их в ЭВМ.

В блоке 12 сравнивают идентификационные коды с эталонными значениями, в случае несовпадения кодов с эталонными значениями, подключают n-й объект контроля к комплекту прграммно-управляемых источников тестовых сигналов (КПУИТС), после чего алгоритм повторяется заново, до совпадения кодов с эталонными значениями. При совпадении кодов с эталонными значениями в блоке 13 идентифицируют подключенный n-й объект контроля и n-й сменный адаптер и вырабатывают сообщение о пригодности n-го сменного адаптера для диагностирования. В блоке 14 формируют и посылают комбинацию тестовых сигналов в n-й объект контроля. В блоке 15 подключают устройство вероятностного прогнозирования к n-му объекту контроля и определяют его технического состояния в момент времени t₁. В блоке 16 прогнозируют техническое состояние n-го объекта контроля на заданный интервал времени t₁+Δt. В блоке 17 формируют идентификационные коды на основе сигналов отклика на заданный интервал времени t₁ и интервал времени t₁+Δt. В блоке 18 сравнивают полученные идентификационные коды с эталонными значениями, при несовпадении идентификационных кодов - подключают n-й объект контроля к комплекту прграммно-управляемых источников тестовых сигналов (КПУИТС), после чего алгоритм повторяется до совпадения кодов с эталонными значениями, при совпадении идентификационных кодов в блоке 19 определяют и подключают n-й объект контроля, который обладает наилучшими характеристиками и параметрами.

Структурная схема устройства, реализующего способ мониторинга ЦСП представлена на фиг. 2.

Устройство включает в себя: электронно-вычислительную машину (1), комплект прграммно-управляемых тестовых сигналов (2), измеритель параметров сигналов отклика (3), устройство управления (4), n-сменных адаптеров (5) с идентификатором адаптера (5.1) в каждом, устройство вероятностного прогнозирования (6), n-объектов контроля (7) с идентификатором объекта контроля (7.1) в каждом.

Устройство работает следующим образом. В электронно-вычислительной машине (1) формируется база данных диагностических тестов и эталонных значений идентификационных кодов. По заданному типу n-го объекта контроля (7) из базы данных ЭВМ определяется логически связанные между собой: идентификационный код n-го сменного адаптера (5) и идентификационный код n-го объекта контроля. Перед началом контроля заданный n-й объект контроля через n-й сменный адаптер подключается к комплекту прграммно-управляемых источников тестовых сигналов (2).

С помощью комплекта программно-управляемых источников тестовых сигналов формируются комбинации тестовых сигналов, которые с соответствующих выходов комплекта программно-управляемых источников тестовых сигналов подаются на вход n-го идентификатора сменного адаптера (5.1) и вход n-го идентификатора объекта контроля (7.1).

С помощью дополнительных каналов измерителя параметров сигналов отклика (3) измеряют параметры и характеристики n-го объекта контроля и передают соответствующие идентификационные сигналы в устройство управления (4). В устройстве управления на основе идентификационных сигналов формируются идентификационные коды n-го сменного адаптера и n-го объекта контроля, которые передаются в ЭВМ. В ЭВМ полученные идентификационные коды сравниваются с эталонными значениями и происходит идентификация подключенного n-го объекта контроля и n-го сменного адаптера, в результате чего вырабатывается сообщение о пригодности n-го сменного адаптера для проведения диагностирования n-го объекта контроля, которое поступает в комплект программно-управляемых источников тестовых сигналов. Комплект программно-управляемых источников тестовых сигналов формирует комбинацию тестовых сигналов и через n-й сменный адаптер передает их в n-й объект контроля.

Измеритель параметров сигналов отклика измеряет ответную комбинацию тестовых сигналов, передает ее в устройство управления, которое передает комбинацию тестовых сигналов в ЭВМ.

В ЭВМ определяется техническое состояние заданного n-го объекта контроля в момент времени t₁. Информация о техническом состоянии заданного n-го объекта контроля с помощью устройства управления поступает в устройство вероятностного прогнозирования (6) с целью прогнозирования технического состояния подключенного n-го объекта контроля на заданный интервал времени t₁+Δt. УВП по команде от устройства управления подключается к n-му объекту контроля и прогнозирует техническое состояние подключенного n-го объекта контроля на заданный интервал времени t₁+Δt.

После этого с выходов измерителя параметров сигналов отклика и выходов устройства вероятностного прогнозирования на вход устройства управления передаются сигналы отклика о техническом состоянии n-го объекта контроля в момент времени t₁ и сигналы отклика прогнозируемого технического состояния n-го объекта контроля в момент времени t₁+Δt соответственно, на основании полученной информации устройство управления формирует идентификационные коды на заданный интервал времени t₁ и интервал времени t₁+Δt, далее устройство управления передает сформированные идентификационные коды в ЭВМ, которая сравнивает полученные идентификационные коды и формирует (вырабатывает) решение по выбору наилучшего n-го объекта контроля на время t₁+Δt, на основе сформированного решения лицо, принимающее решение (оператор), с помощью ЭВМ производит переключение на n-й объект контроля, обладающий наилучшими параметрами и характеристиками.

Устройство вероятностного прогнозирования известное устройство и предназначено для вероятностного прогнозирования n-объектов контроля на момент времени t₁+Δt.

Структурная схема устройства вероятностного прогнозирования представлена на фиг. 3. Устройство вероятностного прогнозирования включает в себя: блок коммутации и измерения (БКИ) 6.1, блок памяти (БП) 6.2, блок весовых коэффициентов (БВК) 6.3, блок вычисления вероятностных характеристик априорной информации (БВ1) 6.4, блок вычисления условных апостериорных вероятностей (БВ2) 6.5, блок коррекции результатов (БКР) 6.6, блоки индикации (БИ) 6.7, блок управления (БУ) 6.8.

Состав и принцип работы устройства вероятностного прогнозирования описаны в книге: Технические средства диагностирования: Справочник/В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; под общ. Ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с., ил. - с. 158-159, рис. 17.

Алгоритм работы устройства вероятностного прогнозирования представлен на фиг. 4, где в блоке 1 осуществляют ввод необходимых исходных данных: сформированные идентификационные сигналы, комбинации тестовых сигналов, сигналы отклика о техническом состоянии n-го объекта контроля на моменты времени t₁ и t₁+Δt. Далее в блоке 2 происходит определение числа ошибок, сбоев (отказов) в n-объектах контроля на момент времени t₁+Δt. После этого в блоке 3 рассчитываются следующие показатели надежности: средняя наработка на отказ - , вероятность безотказной работы - P(t₁+Δt) и коэффициент оперативной готовности - K_ог (ГОСТ P 27.004-2009 Надежность в технике. Модели отказов. М., 2010 г. - 16 с.; ГОСТ P 27.403-2009 Надежность в технике. Планы испытаний для контроля вероятности безотказной работы. М., 2010 г. - 16 с.).

В блоке 4 производят сравнение значений рассчитанных показателей надежности с требуемыми значениями, при невыполнении заданных требований по значениям показателей переходят к начальному вводу и корректировке исходных данных, если рассчитанные значения показателей надежности в норме, то в блоке 5 осуществляется передача спрогнозированной информации о техническом состоянии n-го объекта контроля в устройство управления.

Устройство управления известное устройство и предназначено для формирования, на основе полученных идентификационных сигналов и с учетом прогнозирования технического состояния, идентификационных кодов n-го сменного адаптера и n-го объекта контроля с последующей их передачей в ЭВМ.

Структурная схема устройства управления, выполненного на базе микропроцессора Alpha 21364, представлена на фиг. 5.

Структурная схема устройства управления включает в себя: кэш-память 1-го уровня в составе 16 буферов обращения (4.1), кэш-команд размером 64 кбайт (4.2), микропроцессорное ядро 21264 (4.3), кэш- данных размером 64 кбайт (4.4), кэш-память 1-го и 2-го уровня в составе 16 буферов обмена (4.5), кэш-память 2-го уровня (4.6), контроллер памяти (4.7), кэш-память 2-го уровня и оперативной памяти в составе 16 буферов обмена (4.8), сетевой интерфейс (4.9).

Алгоритм работы устройства управления представлен на фиг. 6, где в блоке 1 осуществляется прием информации о техническом состоянии n-го объекта контроля за интервал времени t₁+Δt. В блоке 2 задается значение принимаемого бита последовательности информации о техническом состоянии из D0, D1, D2, D3 (n=1), где D0, D1, D2, D3 - сигналы буфера данных микропроцессора; n - текущее значение бита последовательности. В блоке 3 осуществляется проверка текущего значения принимаемого бита. Если текущее значение бита равно нулю, то в блоке 4 добавляется информация в виде текущего значения бита - единицы и текущее значение принимаемого бита в блоке 5 записывается в регистры. В блоке 6 происходит формирование идентификационного кода за заданный интервал времени t₁+Δt. В блоке 7 сформированный идентификационный код передается в ЭВМ.

Принцип работы предлагаемого устройства управления, реализованного на базе микропроцессора Alpha 21364 применительно к системам цифровой обработки сигналов, описан в книге: В.В. Корнеев, А.В. Киселев. Современные микропроцессоры. 3-е издание, переработанное и дополненное, СПб.: БХВ - Петербург, 2003. - 448 с., ил., стр. 221-223.

Оценка эффективности предлагаемого способа и устройства, его реализующего проводилась путем сравнения достоверности диагностирования полученных результатов при моделировании процесса эксплуатации устройства-прототипа и заявленного устройства.

При моделировании эксплуатации устройства-прототипа за время t₁ в объекте контроля было выявлено 10 отказов. При моделировании эксплуатации заявленного технического решения при тех же условиях эксплуатации было выявлено 10 отказов и при прогнозировании технического состояния объекта контроля на время t₁+Δt было выявлено 5 отказов.

По формуле (Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит. - 1988 г., 480 с.) определим достоверность оценки технического состояния КПЦИ:

где Ф - функция Лапласа;

N - количество моделируемых событий;

p_ош - реальное значение оценки полученных результатов моделирования;

- требуемое значение оценки результатов моделирования;

ε - величина доверительного интервала.

Определяем достоверность оценки технического состояния объекта контроля следующим образом: . Тогда:

Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу (Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992 г., 206 с.):

Тогда:

Для случая, когда p_ош; вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая , тогда:

Тогда определим t_α1 и t_α2, принимая ε=0,05, а в прототипе рассматривается десять отказов в момент времени t₁(N=10). В предлагаемом устройстве рассматривается пятнадцать отказов: 10 отказов, выявленных в момент времени t₁ и 5 отказов, прогнозируемых на момент времени t₁+Δt(N=15):

Эффективность от применения заявленного устройства определяется с помощью аргументов функции Лапласа:

Таким образом, эффективность заявленного устройства по сравнению с устройством-прототипом составляет 18%, чем и достигается заявленный технический результат.