RU2565417C1 - Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики - Google Patents
Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики Download PDFInfo
- Publication number
- RU2565417C1 RU2565417C1 RU2014123818/08A RU2014123818A RU2565417C1 RU 2565417 C1 RU2565417 C1 RU 2565417C1 RU 2014123818/08 A RU2014123818/08 A RU 2014123818/08A RU 2014123818 A RU2014123818 A RU 2014123818A RU 2565417 C1 RU2565417 C1 RU 2565417C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- failure
- rvp
- confidence
- sudden
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Hardware Redundancy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в сложных радиотехнических комплексах, автоматизированных системах управления. Техническим результатом является повышение надежности. Способ содержит определение разностей выходных параметров (РВП) основного элемента (ОЭ) и резервируемых элементов (РЭ), сравнение РВП с пороговым значением и обнаружение внезапных отказов, при этом, задают лингвистические переменные (ЛП), описывающие количественные значения РВП и выходных решений на качественном уровне, для каждой ЛП определяют базовое терм-множество с соответствующими функциями принадлежности каждого терма, задают для входных ЛП на шкале возможных значений РВП термы «большое минус», «среднее минус», «нулевое», «среднее плюс», «большое плюс», которые зависят от среднеквадратических отклонений РВП от нуля, а для выходных ЛП «элемент исправен», «постепенный отказ элемента», «внезапный отказ элемента» задают термы «малая уверенность», «достаточная уверенность», «сильная уверенность», формируют экспертное множество правил нечеткого вывода, ставящих в соответствие входной ситуации определенное выходное решение, последовательно выполняют фаззификацию, агрегирование, активизацию, аккумуляцию и дефаззификацию, при этом если из полученного ряда максимальное значение соответствует выходным ЛП «постепенный отказ элемента» или «внезапный отказ элемента», принимают решение об отказе ОЭ или РЭ, отключают его и, при наличии исправных элементов, подключают один из них к выходу резервированной системы. 5 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к сложным радиотехническим комплексам, автоматизированным системам управления, резервированным в интересах повышения надежности.
Известен способ резервирования, основанный на обнаружении отказов системы по месту, занимаемому ее выходным параметром в вариационном ряде, образуемом мгновенными значениями выходных параметров нескольких систем [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 45, 89]. Признаком отказа рабочей системы является изменение места выходного параметра в последовательности.
Недостатком данного способа резервирования является то, что надежность существенно зависит от выбора места k-го члена (элемента) вариационного ряда из m резервируемых элементов. Наибольший выигрыш в надежности по постепенным отказам для симметричного допуска достигается при выборе статистической медианы (при m нечетном: k=(m+1)/2), а при одностороннем допуске - крайних членов вариационного ряда (k=m - для постепенных отказов вниз, k=1 - для постепенных отказов вверх) [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 99-100].
Известен способ резервирования систем, основанный на сравнении выходных параметров рабочей системы со среднеарифметическими значениями выходных параметров нескольких систем (элементов) [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 35-36, 83-85]. Этот способ резервирования в основном используется для обнаружения постепенных отказов, так как в данном случае неизвестные истинные значения выходных параметров заменяются оценками (среднеарифметической величиной наблюденных значений).
Недостатком данного способа является то, что внезапный отказ одного (любого) i-го резервируемого элемента приводит к недопустимому изменению выходного параметра на величину Xi/m (практически отказу) [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 84], где Xi - значение выходного параметра i-го элемента; m - количество элементов в системе.
Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является способ резервирования систем с помощью мажоритарных элементов. В этом случае состояние одной (рабочей) системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем с помощью пороговых схем сравнения [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 43-44, 60-61]. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем, то есть считается, что состояния рабочей и i-й системы сравнения одинаковы, если разность их выходных параметров X меньше ε:|Х-Хi|<ε, где ε - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения). Этот принцип широко используется для обнаружения внезапных отказов.
Основным недостатком данного способа является то, что он не дает выигрыш в надежности по постепенным отказам. Обнаружение отказавшего элемента происходит только в случае, если его выходной параметр сильно отличается от других, то есть практически произошел внезапный отказ, и разность его выходного параметра и выходного параметра другого резервируемого элемента превысила порог схемы сравнения [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 82].
Технический результат предлагаемого способа выражается в повышении надежности резервированных систем за счет обнаружения как внезапных, так и постепенных отказов с использованием методов нечеткой логики.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе резервирования систем, заключающемся в определении разностей выходных параметров (РВП) основного элемента (ОЭ) и резервируемых элементов (РЭ), сравнении РВП с пороговым значением и обнаружении внезапных отказов, задают лингвистические переменные (ЛП), описывающие количественные значения РВП и выходных решений на качественном уровне, для каждой ЛП определяют базовое терм-множество с соответствующими функциями принадлежности каждого терма, причем для входных ЛП «значение РВП» задают на шкале возможных значений РВП термы «большое минус», «среднее минус», «нулевое», «среднее плюс», «большое плюс», которые зависят от среднеквадратических отклонений РВП от нуля, а для выходных ЛП «элемент исправен», «постепенный отказ элемента», «внезапный отказ элемента» задают термы «малая уверенность», «достаточная уверенность», «сильная уверенность», формируют экспертное множество правил нечеткого вывода (ПНВ), ставящих в соответствие входной ситуации определенное выходное решение, устанавливают соответствия между конкретным значением РВП и значением функции принадлежности соответствующего ей терма входной ЛП (выполняют фаззификацию), определяют степени истинности условий по каждому ПНВ (выполняют агрегирование) и степени истинности каждого заключения ПНВ (выполняют активизацию), находят функции принадлежности для каждой выходной ЛП (выполняют аккумуляцию) и определяют их количественные значения (выполняют дефаззификацию), при этом если из полученного ряда максимальное значение соответствует выходным ЛП «постепенный отказ элемента» или «внезапный отказ элемента», то принимают решение об отказе элемента (ОЭ или РЭ), отключают его от выхода резервированной системы и, при наличии исправных элементов, подключают одного из них к выходу резервированной системы.
Сущность изобретения заключается в своевременном обнаружения в резервированных системах возникновения не только внезапных, но и постепенных отказов основного или резервируемых элементов с использовании методов нечеткой логики.
Оценим возможность обнаружения как внезапных, так и постепенных отказов элементов резервированной системы с использованием предложенного способа.
Для конкретности и простоты изложения ниже будем рассматривать резервированную систему (PC) минимальной кратности, в которой еще может быть реализовано мажоритарное резервирование, состоящую из трех резервируемых элементов (РЭ). Структурная схема системы, реализующая способ резервирования с помощью мажоритарных элементов (прототип), представлена на фиг.1. Сигналы с выходов РЭ 1.1-1.3 попарно вычитаются в устройствах сравнения (УС2.1-2.1) и подаются в пороговые устройства (ПУЗ. 1-3.2), на выходе которых появляется сигнал, если значение разности сигналов на входе превысит порог срабатывания. Порог срабатывания выбирается исходя из обнаружения явного отказа резервируемого элемента, чтобы не было ложных срабатываний, связанных с различными неопределенностями, к которым относятся: влияние случайных возмущений (вибрации и тряски, флуктуации параметров внешней среды (температуры, влажности, давления), нестабильности питающих напряжений и параметров аналоговых и цифровых элементов и др.); влияние систематических и случайных ошибок измерения значений выходных параметров элементов на формирование команд управления работой резервированной системы и т.д. Поэтому значения допустимых пределов изменения разности параметров РЭ (несоответствие) выбираются равными Δ=±3σx, где σx - среднеквадратическое отклонение (СКО) выходного сигнала РЭ. В блоке управления БУ4 в зависимости от наличия сигналов на выходе пороговых устройств сравниваются состояния РЭ и при наличии минимум двух исправных, значение разности выходных параметров которых не превышает порог срабатывания, через соответствующее устройство коммутации УК4.1-УК4.3 подключается один из них на выход резервированной системы.
В предлагаемом способе резервирования с учетом нечеткости информации о состоянии РЭ порог срабатывания носит нечеткий характер и поэтому может быть использован контроллер КЗ, в котором заложены алгоритмы нечеткой логики, структурная схема возможной реализации предлагаемого способа представлена на фиг.2. Блок управления БУ4 при наличии сигналов на выходе контроллера КЗ, также как в схеме реализации способа-прототипа, в зависимости от состояния резервируемых элементов, управляет устройствами коммутации УК4.1-4.3.
Алгоритмы нечеткой логики, заложенные в контроллере, состоят из следующих этапов [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.: ил.]:
- формирование базы правил нечеткого вывода (ПНВ), которая представляет собой конечное множество правил нечеткого вывода, согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных. Наиболее часто база правил представляется в форме структурированного текста: «ПРАВИЛО_1: ЕСЛИ «Условие_1» ТО «Заключение_1» (F1)»;
- фаззификация входных переменных, представляющая собой процесс нахождения значений функций принадлежности нечетких множеств (термов) на основе обычных (не нечетких) исходных данных;
- агрегирование условий, представляющее собой процедуру определения степени истинности условий по каждому из ПНВ;
- активизация заключений, представляющая собой процедуру нахождения степени истинности каждого из заключений ПНВ;
- аккумуляция заключений, представляющая собой процедуру нахождения функции принадлежности для каждой из выходных лингвистических переменных ПНВ;
- дефаззификация выходных переменных, представляющая собой процесс нахождения обычного (не нечеткого) значения для каждой из выходных лингвистических переменных множества.
Рассмотрим три варианта:
1 вариант - значения выходных параметров РЭ1.1-РЭ1.3: Х1=1020 мВ, X2=950 мВ, Х3=1000 мВ, соответственно значения РВП: Х12=Х1-X2=70 мВ; Х13=Х1-Х3=20 мВ; Х23=Х2-Х3=-50 мВ;
2 вариант - Х1=1020 мВ, Х2=850 мВ, Х3=1000 мВ, соответственно X12=170 мВ; X13=20 мВ; X23=-150 мВ;
3 вариант - Х1=1020 мВ, Х2=750 мВ, Х3=1000 мВ, соответственно X12=270 мВ; X13=20 мВ; X23=-250 мВ.
СКО выходного сигнала σx=100 мВ.
В системах нечеткого вывода лингвистические переменные, которые используются в нечетких высказываниях условий ПНВ, называются входными лингвистическими переменными, а переменные, которые используются в нечетких высказываниях заключений ПИВ, называются выходными ЛП. Входные ЛП «значение РВП» с термами «NB» (большое минус), «NM» (среднее минус), «Z» (нулевое), «РМ» (среднее плюс), «РВ» (большое плюс) задаются на шкале возможных значений РВП и зависят от СКО отклонений РВП. Вид функций принадлежности термов входных ЛП представлен на фиг. 3. В качестве выходных ЛП были приняты «элемент исправен», «постепенный отказ элемента», «внезапный отказ элемента» с термами «5» (малая уверенность), «М» (достаточная уверенность), «В» (сильная уверенность), вид функций принадлежности которых представлен на фиг. 4.
Сформированные ПНВ включали следующие условия и заключения:
Условие 1: «X12 есть NM или РМ» И «Х13 есть NM или РМ» И «X13 есть Z»;
Условие 2: «X12 есть NM или РМ» И «X13 есть Z» И «Х13 есть NM или РМ»;
Условие 3: «X12 есть Z» И «X13 есть NM или РМ» И «X13 есть NM или РМ»;
Условие 4: «X12 есть NB или РВ» И «X13 есть NB или РВ» И «X13 есть Z»;
Условие 5: «X12 есть NB или РВ» И «X13 есть Z» И «Х13 есть NB или РВ»;
Условие 6: «X12 есть Z» И «X13 есть NB или РВ» И «X13 есть NB или РВ»;
Условие 7: «X12 есть «NM или РМ» или «NB или РB»» И «X13 есть «NM или РМ» или «NB или PB»» И «X23 есть «NM или РМ» или «NB или РВ»»;
Условие 8: «Х12 есть Z» И «X13 есть Z» И «X13 есть Z»;
Заключение 1: «Постепенный отказ РЭ1.1»;
Заключение 2: «Постепенный отказ РЭ1.2»;
Заключение 3: «Постепенный отказ РЭ1.3»;
Заключение 4: «Внезапный отказ РЭ1.1»;
Заключение 5: «Внезапный отказ РЭ1.2»;
Заключение 6: «Внезапный отказ РЭ1.3»;
Заключение 7: «Отказ PC»;
Заключение 8: «Все РЭ1.1-РЭ1.3 исправны».
ПНВ и принятые экспортно степени уверенности заключений для каждого условия даны в таблице 1, представленной на фиг. 5.
В качестве реальных контроллеров, поддерживающих нечеткую логику, могут быть использованы, например, микросхемы 68НС11, 68НС12 фирмы Motorola, MCS-96 фирмы Intel. Оценка работоспособности таких контроллеров проведем с использованием программной среды FuzzyTECH, использующей язык нечеткого управления FTL (Fuzzy Tech Language) [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.: ил.].
В результате подстановки принятых исходных данных были получены следующие выходные данные, представляющие собой ряд количественных значений степени уверенности (взвешенное среднее) Rвых:
Анализ решений показывает, что:
в 1 варианте максимальная степень уверенности, равная 1, соответствует решению 8 «Все РЭ1.1-РЭ1.3 исправны»;
во 2 варианте максимальная степень уверенности, равная 0.6, соответствует решению 2 «постепенный отказ РЭ1.2»;
в 3 варианте максимальная степень уверенности, равная 0.6, соответствует решению 5 «внезапный отказ РЭ1.2».
Как видно из анализа решений, предложенный алгоритм может быть использован для обнаружения как постепенных, так и внезапных отказов РЭ. При принятии решения об отказе (постепенном или внезапном) i-го РЭ на соответствующем i-м выходе контроллера появляется сигнал отказа данного РЭ и блок управления БУ4, также как в схеме реализации способа-прототипа, управляет устройствами коммутации.
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности реализации заявленного способа резервирования систем с использованием методов нечеткой логики для обнаружения в резервированной системе как внезапных, так и постепенных отказов, что позволит повысить надежность всей системы.
Кроме того, достоинством предложенного способа является то, что дополнительно появляется информация о типе отказа РЭ, а наличие ряда выходных решений с количественными значениями степени уверенности Rвых позволяет эксперту оценивать состояния всех РЭ.
Таким образом, заявленный способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики обеспечивает повышение надежности резервированных систем, основанных на принципах мажоритарной логики, за счет своевременного обнаружения не только внезапных, но и постепенных отказов резервируемых элементов.
Предлагаемое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.
Claims (1)
- Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики, заключающийся в определении разностей выходных параметров (РВП) основного элемента (ОЭ) и резервируемых элементов (РЭ), сравнении РВП с пороговым значением и обнаружении внезапных отказов, отличающийся тем, что задают лингвистические переменные (ЛП), описывающие количественные значения РВП и выходных решений на качественном уровне, для каждой ЛП определяют базовое терм-множество с соответствующими функциями принадлежности каждого терма, причем для входных ЛП «значение РВП» задают на шкале возможных значений РВП термы «большое минус», «среднее минус», «нулевое», «среднее плюс», «большое плюс», которые зависят от среднеквадратических отклонений РВП от нуля, а для выходных ЛП «элемент исправен», «постепенный отказ элемента», «внезапный отказ элемента» задают термы «малая уверенность», «достаточная уверенность», «сильная уверенность», формируют экспертное множество правил нечеткого вывода (ПНВ), ставящих в соответствие входной ситуации определенное выходное решение, устанавливают соответствия между конкретным значением РВП и значением функции принадлежности соответствующего ей терма входной ЛП (выполняют фаззификацию), определяют степени истинности условий по каждому ПНВ (выполняют агрегирование) и степени истинности каждого заключения ПНВ (выполняют активизацию), находят функции принадлежности для каждой выходной ЛП (выполняют аккумуляцию) и определяют их количественные значения (выполняют дефаззификацию), при этом если из полученного ряда максимальное значение соответствует выходным ЛП «постепенный отказ элемента» или «внезапный отказ элемента», то принимают решение об отказе элемента (ОЭ или РЭ), отключают его от выхода резервированной системы и, при наличии исправных элементов, подключают одного из них к выходу резервированной системы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014123818/08A RU2565417C1 (ru) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014123818/08A RU2565417C1 (ru) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2565417C1 true RU2565417C1 (ru) | 2015-10-20 |
Family
ID=54327194
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014123818/08A RU2565417C1 (ru) | 2014-06-10 | 2014-06-10 | Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2565417C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669140C1 (ru) * | 2017-10-02 | 2018-10-08 | Михаил Федорович Волобуев | Способ управления дублированной системой с использованием методов нечеткой логики |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6073262A (en) * | 1997-05-30 | 2000-06-06 | United Technologies Corporation | Method and apparatus for estimating an actual magnitude of a physical parameter on the basis of three or more redundant signals |
RU2298823C2 (ru) * | 2005-04-28 | 2007-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Желдорконсалтинг" | Устройство мажоритарного резервирования (варианты) |
RU2487389C2 (ru) * | 2011-06-27 | 2013-07-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г.Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Устройство обнаружения отказов в резервированной системе |
-
2014
- 2014-06-10 RU RU2014123818/08A patent/RU2565417C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6073262A (en) * | 1997-05-30 | 2000-06-06 | United Technologies Corporation | Method and apparatus for estimating an actual magnitude of a physical parameter on the basis of three or more redundant signals |
RU2298823C2 (ru) * | 2005-04-28 | 2007-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Желдорконсалтинг" | Устройство мажоритарного резервирования (варианты) |
RU2487389C2 (ru) * | 2011-06-27 | 2013-07-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г.Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Устройство обнаружения отказов в резервированной системе |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669140C1 (ru) * | 2017-10-02 | 2018-10-08 | Михаил Федорович Волобуев | Способ управления дублированной системой с использованием методов нечеткой логики |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11175976B2 (en) | System and method of generating data for monitoring of a cyber-physical system for early determination of anomalies | |
JP2020017952A (ja) | 警告するための方法と装置 | |
Baraldi et al. | Clustering for unsupervised fault diagnosis in nuclear turbine shut-down transients | |
Arif et al. | A data mining approach for developing quality prediction model in multi-stage manufacturing | |
ES2963926T3 (es) | Método para monitorización del estado de subsistemas dentro de una planta de generación renovable o microrred | |
CN110825549A (zh) | 一种信息系统故障根因的确定方法、装置、设备及存储介质 | |
CN107729985A (zh) | 更好识别技术设施的过程异常的方法和相应的诊断系统 | |
Vafamand et al. | Fusing unscented Kalman filter to detect and isolate sensor faults in DC microgrids with CPLs | |
WO2019176496A1 (ja) | 制御装置、制御システム、制御方法及び制御プログラム | |
Pattanaik et al. | Decision support model for automated railway level crossing system using fuzzy logic control | |
Zhang et al. | Extreme multistability in memristive hyper-jerk system and stability mechanism analysis using dimensionality reduction model | |
Safarinejadian et al. | Fault detection in non-linear systems based on type-2 fuzzy logic | |
Gross et al. | A supervisory control loop with Prognostics for human-in-the-loop decision support and control applications | |
Wang et al. | Linear approximation fuzzy model for fault detection in cyber-physical system for supply chain management | |
RU2565417C1 (ru) | Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики | |
Inacio et al. | Fault diagnosis with evolving fuzzy classifier based on clustering algorithm and drift detection | |
Sakthivel et al. | Robust hybrid control design for stochastic Markovian jump system via fault alarm approach | |
CN108362957B (zh) | 设备故障诊断方法、装置、储存介质和电子设备 | |
Mohiuddin et al. | Deep learning based multi-label attack detection for distributed control of AC microgrids | |
Volodarsky et al. | Precautionary statistical criteria in the monitoring quality of technological process | |
Patra | Contingency analysis in power system using load flow solution | |
Wang et al. | ARMAX model based run-to-run fault diagnosis approach for batch manufacturing process with metrology delay | |
RU2604335C2 (ru) | Способ резервирования систем и устройство его реализации | |
CN114089206A (zh) | 一种电池冗余模块的寿命预测方法、系统、介质及设备 | |
Blázquez et al. | Neuro-fuzzy identification applied to fault detection in nonlinear systems |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160611 |