RU2565417C1

RU2565417C1 - Способ резервирования систем с использованием методов нечеткой логики

Info

Publication number: RU2565417C1
Application number: RU2014123818/08A
Authority: RU
Inventors: Михаил Федорович Волобуев; Михаил Александрович Замыслов; Александр Михайлович Мальцев; Игорь Владимирович Соколов
Original assignee: Александр Михайлович Мальцев
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-10-20

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 X_i/m (практически отказу) [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 84], где X_i - 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-Х_i|<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=±3σ_x, где σ_x - 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 σ_x=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) R_вых:

- для 1 варианта:

- для 2 варианта:

для 3 варианта:

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 R_вых 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

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.