- Главная >
- Публикации >
- Научный аспект >
- ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ХРАНЕНИЯ И УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ХРАНЕНИЯ И УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ
к.т.н. Заболотских В.И.
Физико-технический институтУральского Отделения РАН
Рассматриваются методы определения эффективности систем через отдельные критерии. Отдельные критерии определяются параметрами датчиков, характеристиками трактов преобразования сигналов, применением интеллектуальных средств анализа и обработки. Для повышения эффективности измерений в системах мониторинга предлагается: применять помехоустойчивую синхронизацию; применять адаптивные методы непрерывной регистрации мониторинговой информации на длительном интервале наблюдения; использовать корреляцию параметров мониторинга объекта и окружающей среды с целью оперативного предупреждения аварийной ситуации. При разработке систем мониторинга необходимо предусматривать встроенную функцию самооценки системы, которая должна на основе накопления информации об эффективности при каждом измерении, статистической обработки и на основе вычисления отдельных критериев производить оценку интегрального критерия эффективности, на основании которого принимается решение о качестве проводимого мониторинга.
Современные системы мониторинга для контроля параметров технологических процессов объектов хранения и уничтожения химического оружия и окружающей среды используют много различных типов датчиков, устройств измерения, преобразования, обработки и анализа измерительных сигналов. С позиции обработки информации к ним предъявляются системные требования:
— насколько оптимально система выполняет свои функции;
— когда система устареет морально или физически;
— насколько система эффективна для выполнения задач мониторинга.
При этом одной из центральных проблем анализа при создании систем мониторинга является выбор показателей качества и эффективности функционирования, позволяющих полно и всесторонне оценивать эти системы, исходя из поставленных целей. Выделение только одного, пусть даже самого важного признака или требования, не обеспечивает решение проблемы, так как именно в учете большого числа разносторонних требований и всестороннем анализе области функционирования системы заключается одно из важнейших условий системного подхода, являющегося основой теории качества и эффективности [1,2].
Системы мониторинга [3,4] являются сложными многоканальными системами регистрации и обработки как периодических, так и непериодических импульсных процессов, проявляющих себя на длительном интервале наблюдения с непредсказуемым временным началом аварийного процесса. Широкий частотный диапазон регистрируемых сигналов, невоспроизводимость аварийных сигналов в комплексе, так как каждая чрезвычайная ситуация (ЧС) индивидуальна и непредсказуема, зашумленность измерительных сигналов за счет достаточно больших территорий контроля, а также большое количество датчиков, участвующих в мониторинге — причины, определяющие сложность построения систем мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия.
Для таких систем получить критерий эффективности и виде скалярной функции не удается и необходимо использовать векторный многокомпонентный критерий, составляющие которого являются самостоятельными, независящими друг от друга критериями, подобные оценки (структуры критериев) называют многокритериальными [5]. Для нахождения обобщенного критерия эффективности таких систем необходимо получить некоторую интегральную оценку, учитывающую эффективность по всем компонентам векторного критерия, при этом получение оценок по отдельным критериям является достаточно сложной самостоятельной задачей. Для удобства получения обобщенного критерия любой частный критерий должен быть безразмерным, однозначным и изменяться в одних и тех же пределах, например от 0 до 1 (быть нормированным), отражая направленность и нелинейность изменения критерия [6,7].
Для нахождения обобщенного критерия эффективности по определенным частным критериям чаще всего используют линейную решетчатую функцию (или метод взвешенной суммы частных критериев):
где: Коб — обобщенный показатель эффективности;
ai — весовой коэффициент, учитывающий «вес» или значимость частного показателя эффективности, при условии, что ;
Кi — частный из общего числа n показатель эффективности.
Отдельные частные критерии Кi могут определяться наиболее важными, с точки зрения пользователя, параметрами системы мониторинга:
— относительное количество используемых измерительных каналов;
— степень соответствия полосе регистрируемых частот;
— коэффициент сжатия избыточной измерительной информации;
— погрешность первичного преобразования и обработки данных;
— степень защищенности от ложных срабатываний системы регистрации;
— степень алгоритмического соответствия решаемым задачам;
— применением в системах интеллектуальных средств измерений, регистрации, анализа и обработки мониторинговой информации и т.п.
Для повышения эффективности измерений в системах мониторинга применяются различные подходы:
— помехоустойчивая синхронизация для регистрации аварийных выбросов отравляющих веществ [8];
— адаптивные методы непрерывной регистрации мониторинговой информации на длительном интервале наблюдения (до 10000 часов) [9,10];
— использование алгоритмов оценки качества обработки мониторинговой информации, которые постоянно производят оценку по результатам статистической обработки;
— корреляция параметров мониторинга объекта и окружающей среды с целью оперативного предупреждения аварийной ситуации [10].
Для примера рассмотрим важность использования процедуры корреляции. Развитие аварийной ситуации, приводящей к ЧС, наиболее объективно и оперативно может быть предсказано только на основании корреляции ряда параметров мониторинга объекта хранения и уничтожения химического оружия и окружающей среды.
К таким параметрам относятся:
— концентрация аварийных химически опасных веществ (АХОВ) на объекте и в окружающей среде;
— давление во фронте ударной волны при взрывном характере выброса, непрогнозируемом ударе;
— температура конструкций и окружающей среды при взрыве, пожаре;
— световое излучение от пожара, вспышки при взрыве;
— ускорение на элементах конструкций и зданий при взрыве, земле-трясении.
Система мониторинга включает в себя центр обработки данных мониторинга и набор датчиков на ряд параметров (перечисленных выше), характеризующих возможное развитие аварийной ситуации (рис.1).
Рис. 1. Структурно-функциональная схема системы мониторинга
Возможный выброс АХОВ при аварии является в большинстве случаев вторичным явлением, следствием других (первичных) процессов — взрыв, пожар, землетрясение, непрогнозируемый удар и т.п. Система мониторинга объекта и окружающей среды должна обеспечивать постоянное измерение параметров не только характеризующих возможный выброс АХОВ, но и параметров, которые характеризуют аварийный процесс на объекте с последующей их корреляцией при определении ситуационной модели динамики развития ЧС.
По вычислению корреляционных характеристик измеренных данных, полученных с этих датчиков, производится обнаружение признаков ЧС независимо от операторов, охраны и персонала на объекте.
Каждый аварийный сигнал с датчиков вышеперечисленных типов имеет некий обобщенный характерный вид (эталон). Такой эталон, например, можно сформировать на основе статистического обобщения (усреднения) нескольких десятков сигнальных реализаций для каждого типа датчика в виде временной последовательности, или в виде качественного описания на основе опроса нескольких десятков специалистов-экспертов в вербальном виде. Поэтому в процессе измерения производится непрерывное опознание измерительных сигналов с датчиков методом сравнения каждого типа сигнала со своим эталоном программным путем на микропроцессоре или при помощи аппаратной реализации этой процедуры.
Затем факт наличия аварийного сигнала с одного типа датчика проверяется на временное совпадение с аварийными сигналами с другими типами датчиков, при наличии совпадения (корреляции) делается вывод о возникновении ЧС.
Например, при ударе молнии световая вспышка и ударная волна (гром) не совпадают по времени и не будет превышения температуры на объекте, а при взрыве на объекте световая вспышка и ударная волна будут совпадать и затем возникнет большая температура на объекте за счет возникновения пожара.
При разработке систем мониторинга необходимо предусматривать встроенную функцию самооценки системы, которая должна на основе накопления информации об эффективности при каждом измерении, статистической обработки и на основе вычисления отдельных критериев производить оценку интегрального критерия эффективности, на основании которого принимается решение о качестве проводимого мониторинга. Поскольку создание «универсальной» системы мониторинга, в смысле неопределенного времени ее функционирования, нереально, то система самооценки эффективности системы мониторинга должна настраиваться на конкретную задачу и должна вырабатывать рекомендации для повышения эффективности: менять отдельные компоненты системы или же менять всю систему, если она физически или морально устарела.
Применение такой подсистемы самооценки в составе системы мониторинга позволит повысить безопасность объектов и технологических процессов хранения и уничтожения химического оружия.
Литература
1. Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. — М.: Связь. 1976. 496 с.
2. Хорошевский В.Г. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. — М.: Радио и связь. 1987. 256 с.
3. Алексеев В.А., Кардаполов А.А., Арефьев А.В., Заболотских В.И. Принципы построения системы мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия с использованием интеллектуальных датчиков // Труды науч.-техн. конф. «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (19—20 апр. 2001; Ижевск). — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет». 2001. С. 164—168.
4. Вахрушев В.И., Заболотских В.И., Хохряков А.В. Система автоматического контроля, прогноза и оповещения о газовой опасности на химически опасном объекте // Приборы и системы управления. 1999. №3. С. 13—15.
5. Кориневский Л.А. Оценка эффективности встроенных систем контроля // Сб. «Автоматизация сложных технических комплексов». — Киев. 1972. С. 34—37.
6. Калинин А.Л. Совершенствование оценки качества и эффективности информационно-измерительных систем и автоматизированных систем управления технологическими процессами // Измерительная техника. 1990. №4. С. 4—5.
7. Кузьмин И.В. Оценка эффективности и оптимизация АСКУ. — М.: Советское радио. 1971. 176 с.
8. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Помехоустойчивая синхронизация цифровых средств регистрации параметров скоротечных процессов // Датчики и системы. 2001. №11. С. 2—6.
9. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Сжатие избыточной измерительной информации в интеллектуальных датчиках параметров импульсных процессов // Сб. мат. XII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (23—30 мая 2000; Крым, Судак). — М.: МГИЭМ. 2000. С. 286—288.
10. Алексеев В.А., Арефьев А.В., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И. Адаптивный экологический мониторинг окружающей среды. // Журнал «Экология и промышленность России», 2002 (октябрь). С. 11—13.
Источник: Информационно-аналитический сборник» Федеральные и региональные проблеммы уничтожения химического оружия», Выпуск 5.
Статьи и материалы Сборника включают данные 2004г.
Физико-технический институтУральского Отделения РАН
Рассматриваются методы определения эффективности систем через отдельные критерии. Отдельные критерии определяются параметрами датчиков, характеристиками трактов преобразования сигналов, применением интеллектуальных средств анализа и обработки. Для повышения эффективности измерений в системах мониторинга предлагается: применять помехоустойчивую синхронизацию; применять адаптивные методы непрерывной регистрации мониторинговой информации на длительном интервале наблюдения; использовать корреляцию параметров мониторинга объекта и окружающей среды с целью оперативного предупреждения аварийной ситуации. При разработке систем мониторинга необходимо предусматривать встроенную функцию самооценки системы, которая должна на основе накопления информации об эффективности при каждом измерении, статистической обработки и на основе вычисления отдельных критериев производить оценку интегрального критерия эффективности, на основании которого принимается решение о качестве проводимого мониторинга.
Современные системы мониторинга для контроля параметров технологических процессов объектов хранения и уничтожения химического оружия и окружающей среды используют много различных типов датчиков, устройств измерения, преобразования, обработки и анализа измерительных сигналов. С позиции обработки информации к ним предъявляются системные требования:
— насколько оптимально система выполняет свои функции;
— когда система устареет морально или физически;
— насколько система эффективна для выполнения задач мониторинга.
При этом одной из центральных проблем анализа при создании систем мониторинга является выбор показателей качества и эффективности функционирования, позволяющих полно и всесторонне оценивать эти системы, исходя из поставленных целей. Выделение только одного, пусть даже самого важного признака или требования, не обеспечивает решение проблемы, так как именно в учете большого числа разносторонних требований и всестороннем анализе области функционирования системы заключается одно из важнейших условий системного подхода, являющегося основой теории качества и эффективности [1,2].
Системы мониторинга [3,4] являются сложными многоканальными системами регистрации и обработки как периодических, так и непериодических импульсных процессов, проявляющих себя на длительном интервале наблюдения с непредсказуемым временным началом аварийного процесса. Широкий частотный диапазон регистрируемых сигналов, невоспроизводимость аварийных сигналов в комплексе, так как каждая чрезвычайная ситуация (ЧС) индивидуальна и непредсказуема, зашумленность измерительных сигналов за счет достаточно больших территорий контроля, а также большое количество датчиков, участвующих в мониторинге — причины, определяющие сложность построения систем мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия.
Для таких систем получить критерий эффективности и виде скалярной функции не удается и необходимо использовать векторный многокомпонентный критерий, составляющие которого являются самостоятельными, независящими друг от друга критериями, подобные оценки (структуры критериев) называют многокритериальными [5]. Для нахождения обобщенного критерия эффективности таких систем необходимо получить некоторую интегральную оценку, учитывающую эффективность по всем компонентам векторного критерия, при этом получение оценок по отдельным критериям является достаточно сложной самостоятельной задачей. Для удобства получения обобщенного критерия любой частный критерий должен быть безразмерным, однозначным и изменяться в одних и тех же пределах, например от 0 до 1 (быть нормированным), отражая направленность и нелинейность изменения критерия [6,7].
Для нахождения обобщенного критерия эффективности по определенным частным критериям чаще всего используют линейную решетчатую функцию (или метод взвешенной суммы частных критериев):
где: Коб — обобщенный показатель эффективности;
ai — весовой коэффициент, учитывающий «вес» или значимость частного показателя эффективности, при условии, что ;
Кi — частный из общего числа n показатель эффективности.
Отдельные частные критерии Кi могут определяться наиболее важными, с точки зрения пользователя, параметрами системы мониторинга:
— относительное количество используемых измерительных каналов;
— степень соответствия полосе регистрируемых частот;
— коэффициент сжатия избыточной измерительной информации;
— погрешность первичного преобразования и обработки данных;
— степень защищенности от ложных срабатываний системы регистрации;
— степень алгоритмического соответствия решаемым задачам;
— применением в системах интеллектуальных средств измерений, регистрации, анализа и обработки мониторинговой информации и т.п.
Для повышения эффективности измерений в системах мониторинга применяются различные подходы:
— помехоустойчивая синхронизация для регистрации аварийных выбросов отравляющих веществ [8];
— адаптивные методы непрерывной регистрации мониторинговой информации на длительном интервале наблюдения (до 10000 часов) [9,10];
— использование алгоритмов оценки качества обработки мониторинговой информации, которые постоянно производят оценку по результатам статистической обработки;
— корреляция параметров мониторинга объекта и окружающей среды с целью оперативного предупреждения аварийной ситуации [10].
Для примера рассмотрим важность использования процедуры корреляции. Развитие аварийной ситуации, приводящей к ЧС, наиболее объективно и оперативно может быть предсказано только на основании корреляции ряда параметров мониторинга объекта хранения и уничтожения химического оружия и окружающей среды.
К таким параметрам относятся:
— концентрация аварийных химически опасных веществ (АХОВ) на объекте и в окружающей среде;
— давление во фронте ударной волны при взрывном характере выброса, непрогнозируемом ударе;
— температура конструкций и окружающей среды при взрыве, пожаре;
— световое излучение от пожара, вспышки при взрыве;
— ускорение на элементах конструкций и зданий при взрыве, земле-трясении.
Система мониторинга включает в себя центр обработки данных мониторинга и набор датчиков на ряд параметров (перечисленных выше), характеризующих возможное развитие аварийной ситуации (рис.1).
Рис. 1. Структурно-функциональная схема системы мониторинга
Возможный выброс АХОВ при аварии является в большинстве случаев вторичным явлением, следствием других (первичных) процессов — взрыв, пожар, землетрясение, непрогнозируемый удар и т.п. Система мониторинга объекта и окружающей среды должна обеспечивать постоянное измерение параметров не только характеризующих возможный выброс АХОВ, но и параметров, которые характеризуют аварийный процесс на объекте с последующей их корреляцией при определении ситуационной модели динамики развития ЧС.
По вычислению корреляционных характеристик измеренных данных, полученных с этих датчиков, производится обнаружение признаков ЧС независимо от операторов, охраны и персонала на объекте.
Каждый аварийный сигнал с датчиков вышеперечисленных типов имеет некий обобщенный характерный вид (эталон). Такой эталон, например, можно сформировать на основе статистического обобщения (усреднения) нескольких десятков сигнальных реализаций для каждого типа датчика в виде временной последовательности, или в виде качественного описания на основе опроса нескольких десятков специалистов-экспертов в вербальном виде. Поэтому в процессе измерения производится непрерывное опознание измерительных сигналов с датчиков методом сравнения каждого типа сигнала со своим эталоном программным путем на микропроцессоре или при помощи аппаратной реализации этой процедуры.
Затем факт наличия аварийного сигнала с одного типа датчика проверяется на временное совпадение с аварийными сигналами с другими типами датчиков, при наличии совпадения (корреляции) делается вывод о возникновении ЧС.
Например, при ударе молнии световая вспышка и ударная волна (гром) не совпадают по времени и не будет превышения температуры на объекте, а при взрыве на объекте световая вспышка и ударная волна будут совпадать и затем возникнет большая температура на объекте за счет возникновения пожара.
При разработке систем мониторинга необходимо предусматривать встроенную функцию самооценки системы, которая должна на основе накопления информации об эффективности при каждом измерении, статистической обработки и на основе вычисления отдельных критериев производить оценку интегрального критерия эффективности, на основании которого принимается решение о качестве проводимого мониторинга. Поскольку создание «универсальной» системы мониторинга, в смысле неопределенного времени ее функционирования, нереально, то система самооценки эффективности системы мониторинга должна настраиваться на конкретную задачу и должна вырабатывать рекомендации для повышения эффективности: менять отдельные компоненты системы или же менять всю систему, если она физически или морально устарела.
Применение такой подсистемы самооценки в составе системы мониторинга позволит повысить безопасность объектов и технологических процессов хранения и уничтожения химического оружия.
Литература
1. Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. — М.: Связь. 1976. 496 с.
2. Хорошевский В.Г. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. — М.: Радио и связь. 1987. 256 с.
3. Алексеев В.А., Кардаполов А.А., Арефьев А.В., Заболотских В.И. Принципы построения системы мониторинга объектов хранения и уничтожения химического оружия с использованием интеллектуальных датчиков // Труды науч.-техн. конф. «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (19—20 апр. 2001; Ижевск). — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет». 2001. С. 164—168.
4. Вахрушев В.И., Заболотских В.И., Хохряков А.В. Система автоматического контроля, прогноза и оповещения о газовой опасности на химически опасном объекте // Приборы и системы управления. 1999. №3. С. 13—15.
5. Кориневский Л.А. Оценка эффективности встроенных систем контроля // Сб. «Автоматизация сложных технических комплексов». — Киев. 1972. С. 34—37.
6. Калинин А.Л. Совершенствование оценки качества и эффективности информационно-измерительных систем и автоматизированных систем управления технологическими процессами // Измерительная техника. 1990. №4. С. 4—5.
7. Кузьмин И.В. Оценка эффективности и оптимизация АСКУ. — М.: Советское радио. 1971. 176 с.
8. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Помехоустойчивая синхронизация цифровых средств регистрации параметров скоротечных процессов // Датчики и системы. 2001. №11. С. 2—6.
9. Алексеев В.А., Заболотских В.И. Сжатие избыточной измерительной информации в интеллектуальных датчиках параметров импульсных процессов // Сб. мат. XII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (23—30 мая 2000; Крым, Судак). — М.: МГИЭМ. 2000. С. 286—288.
10. Алексеев В.А., Арефьев А.В., Габричидзе Т.Г., Заболотских В.И. Адаптивный экологический мониторинг окружающей среды. // Журнал «Экология и промышленность России», 2002 (октябрь). С. 11—13.
Источник: Информационно-аналитический сборник» Федеральные и региональные проблеммы уничтожения химического оружия», Выпуск 5.
Статьи и материалы Сборника включают данные 2004г.