Лекция 11. Информация в технической диагностике

Вопрос 1. Информационные основы технической диагностики

Получение информации об объекте – необходимое условие для постановки диагноза. В основе процесса получения и оценки информации лежит понятие «энтропия», изучаемое в термодинамике, также с ее помощью можно измерять информацию об объекте.

Вспомним основное правило: в самопроизвольных системах энтропия всегда возрастает, причем возрастание всегда сопровождается хаотическим разупорядочением. Книги и бумаги на столе обязательно приходят в беспорядок, если за ними не следить. Это результат случайной, а не организованной деятельности. Порядок создается искусственно и ему соответствует уменьшение энтропии. Неупорядоченное состояние всегда более вероятно, а вероятность количественно оценивается на основе накопленных статистических данных.

Зависимость энтропии от статистических характеристик впервые открыта Л.Больцманом в 1872 г. и имеет вид

,

где – статистический вес системы;

– константа (постоянная Больцмана), Дж/К.

Физический смысл статистического веса заключается в числе способов существования системы или объекта при заданных условиях. Это целое положительное число.

Чем больше у системы возможностей отклонения от равновесного неупорядоченного состояния, тем интенсивнее возрастает статистическая энтропия, стремясь к максимальному значению (у системы из 4 элементов максимальный статистический вес равен 6, у системы из 6 элементов уже будет равно 20, соответственно увеличится и ).

Теперь коснемся связи между энтропией и информацией. С этой точки зрения энтропия есть мера нашего «незнания», мера недостатка информации о рассматриваемой системе. При подбрасывании монеты у нас могут произойти только два события – выпадение «орла» или выпадение «решки». Энтропия невелика, и информации дает одно из событий немного, так как вероятность появления события велика. При подбрасывании игральной кости энтропия растет, так как может произойти 6 событий, и каждое событие дает нам больше информации.

Реализация менее вероятного события дает больше информации. Этот постулат разработал американский инженер и математик К.Шеннон при разработке основ теории информации.

Очевидно, что при бросании двух игральных костей мы получаем вдвое больше информации. Таким образом, информация, получаемая в независимых сообщениях, суммируется, т.е.

,

где , – число равновероятных событий в первой и второй системах.

В то же время полное число равновероятных событий в двух независимых системах равно их произведению:

.

Количество информации находится по формуле

.

Информация выражается в битах – двоичных единицах.

При длине алфавита 32 буквы: H = log₂ 32 = 5 бит (5 двоичных единиц).

Если перейти к состояниям технических объектов (систем), то очевидно, что появление неисправных состояний менее вероятно, чем исправных. Простой моделью такой системы может послужить та же игральная кость, у которой пять граней с цифрой 1 (исправное состояние), а одна – с цифрой 2 (неисправное состояние). Вероятность появления определенного состояния , где , – соответственно число реализованных и возможных событий в каждом из состояний . Если известно число возможных состояний системы , а также вероятность их появления, то можно оценить максимальную неопределенность системы или степень ее возможной изменчивости

.

Эта зависимость называется информационной энтропией.

Вопрос 2. Возникновение и оценка диагностической информации

Любые физические измерения, а также идентификация означают получение информации. Эти процессы необратимы и связаны с затратами энергии. Чем точнее информация, тем больше затраты. Накопление информации при решении задач диагностирования имеет целью обеспечить возможность выбора каких-то ситуаций из числа равновероятных и неравновероятных (распознавание). При распознавании состояний информацией можно считать такие сведения, которые можно запомнить или воспринять. В ТД воспринятие информации особенно важно. В связи с этим введем понятие рецепции информации. Оно означает возникновение определенной упорядоченности в воспринимающей системе. Для рецепции информации необходима определенная способность воспринимать сообщения (острота чувств у человека, наличие предварительной информации, достаточная чувствительность метода НК). Это значит, что рецепция зависит от цели.

Как же возникает информация? Процесс начинается с создания исходных материалов, из которых в последствии изготавливают элементы ВС и АД. При возникновении реального кристалла металла с его дефектами кристаллической решетки возникает и информация. В процессе обработки материала информация возникает за счет получения случайных размеров (отклонений от технических указаний). То, что подчиняется известным законам, не информативно.

В ТД объект рассматривается через систему признаков. Главный принцип рецепции при распознавании: диагностическая ценность признака определяется количеством вносимой информации, уменьшающим энтропию объекта.

Диагностические признаки могут быть простыми и сложными. Простым называется такой признак, который обладает минимальной изменчивостью, т.е. может характеризовать два состояния.

В ТД часто значения измеряемого параметра разбивают на несколько интервалов, которые могут характеризоваться качественное состояние системы. Каждый интервал численных значений называется его разрядом. Признак, имеющий более двух разрядов, называется сложным.

Вопрос 3.Информационные критерии методов диагностирования

Требования, предъявляемые к информационному критерию:

1. Информационный критерий (ИК) должен максимально характеризовать систему диагностических признаков АТ, т.е. соответствовать изменчивости и реагировать на возможные состояния, определяемых нор­мативно-технической документацией. При оценке качества АТ первостепенный интерес с точки зрения эксплуатанта представляет его работоспособность, поэтому информационный критерий должен от­ражать именно эту сторону качества.

2. Информационный критерий должен быть критичен по отношению к каждому из контролируемых диагностических параметров. Изменение уровня рабо­тоспособности элементов АТ должно характеризоваться изменением ве­личины ИК и хотя бы одного из диагностических параметров контроля. С другой стороны, в ИК не должны включаться такие диагностические параметры, изменение которых не отражало бы изменение уровня работоспособности ГТД.

3. Информационный критерий и диагностические параметры должны иметь физический смысл, быть связанными функционально со структурными пара­метрами АТ и иметь количественную оценку.

4. Информационный критерий - однозначно отражать степень изменчивости состоя­ния АТ и проявление отказа по любому из контролируемых параметров.

5. Характер изменения ИК в процессе эксплуатации ЛА и АД - быть необратимым. Это может позволить прог­нозировать сроки очередного контроля и прекращения эксплу­атации АТ.

6. Информационный критерий должен позволять оценивать состояние ЛА и АД приме­нительно к используемым средствам и методам контроля. При этом - позволять сравнивать эффективность различ­ных систем контроля. В качестве критерия эффективности це­лесообразно использовать информативность контроля.

7. Информационный критерий - быть пригодным для использования в ка­честве составляющих частных параметров любой размерности и физической природы. При этом частные параметры должны ис­пользоваться без назначения недостаточно обоснованных ве­совых коэффициентов.

8. Информационный критерий должен характеризовать уровень работоспособнос­ти ЛА и АД на всех этапах их эксплуатации.

При оценке возможности реализации требований к ИК це­лесообразно рассматривать для удобства классификации мно­жество возможных состояний АТ, как пространство этих сос­тояний. В этом случае каждому классу можно поставить в соответствие определенный уровень работоспособности АТ, вплоть до критического уровня. Поскольку информационный критерий представляет собой некоторую композицию частных параметров контроля, то он должен однозначно отражать принадлежность двигателя тому или иному классу состояний. Одному и тому же численному значению ИК могут соответствовать различные состояния, принадлежащие одному классу. Количество состояний в классе определяется количеством контролируемых частных параметров и может служить косвенной характеристикой информативности применяемой системы контроля. Изменение уровня работоспособности ЛА и АД представляет собой непрерывный процесс перехода объектов АТ из одного класса состояний в другое. Задавшись допусковым значением частных параметров можно определить предельно допустимый уровень работоспособности, как критический класс состояний. И, наконец, ИК должен отражать переход диагностируемого объекта от одного класса состояний к другому вплоть до критического.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Пивоваров. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций. – М.: Транспорт, 1994.

2. И.А.Биргер. Техническая диагностика. – М.: Машиностроение, 1978.

*******************************************************************