Дмитриева Светлана Петровна. Разработка и исследование алгоритмов прогнозирования состояния многопараметрических технических систем

brief description

Дмитриева Светлана Петровна. Разработка и исследование алгоритмов прогнозирования состояния многопараметрических технических систем: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.13.18 / Дмитриева Светлана Петровна;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»], 2017.- 173 с.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
На
Дмитриева Светлана Петровна
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Специальности 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ СТЕПЕНИ
КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Демин А.В.
Санкт-Петербург
2017г. 
ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление 2
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
I JIA15 A I. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 11
1.1 Классификация многопараметрических динамических технических систем на
основании физических законов (по целевой функции) 11
1.2 Параметрическое описание многопараметрических динамических технических
систем на основании физических законов 14
1.3 Обобщённая структурная схема и модель многопараметрических
динамических технических систем на основании физических законов ....20
1.4 Структурно-функциональная модель прогнозной функции
многопараметрических динамических технических систем 27
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 35
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ И АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГНОЗНОЙ МОДЕЛИ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 36
2.1 Методы прогнозирования поведения (состояния) многопараметрических
динамических технических систем 36
2.2 Методология построения прогнозной модели многопараметрических
динамических технических систем 54
2.3 Точность построения прогнозной модели многопараметрических
динамических технических систем 67
2.4 Алгоритм построения прогнозной модели многопараметрических
динамических технических систем 71
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 77
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ ПРОГНОЗНЫХ МОДЕЛЕЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВАНИИ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ 78
3.1 Анализ и обработка данных эксперимента 78
3.2 Методы представления априорных данных в аналитический вид 82
3.3 Алгоритм представления априорных данных в аналитический вид 85
3.4 Методы исследования аналитических моделей 90
3.5 Критерии оценки достоверности прогнозной модели 93
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕ ГЛАВЕ 102
I JIA15 А 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА
МЕТЕОПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПО ДАННЫМ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНЫХ МЕТЕОСТАНЦИЙ 103
4.1 Физическая природа явления поглощения солнечного излучения земной
атмосферой и её поверхностью 103
4.2 Схема построения системы сбора и обработки метеоинформации 108
4.3 Алгоритм метеопрогнозирования по данным системы мобильных
метеостанций 113
4.4 Экспериментальные исследования 115
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 135
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структурная схема метеорологической станции 140
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Прогнозирование метеопараметров 142
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Аппроксимация метеопараметров МТДС 152
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Построение прогнозной функции (полиномов 3 степени) 156
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Построение прогнозной функции (полиномов 5 степени) 161
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Компоненты прогнозной функции 166
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Проверка корректности прогнозной функции 170
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ДЗ - дистанционное зондирование
БД - база данных
ИМ - имитационная модель
ИНС - искусственные нейронные сети
ИУС - измерительно-управляющая система
КМ - компьютерная модель
ДЗ - дистанционное зондирование
ММП - метод максимального правдоподобия
МНК - метод наименьших квадратов
МНМ - метод наименьших модулей
МДТС - многопараметрическая динамическая техническая система ОЦС - оптико-цифровая система
ОЦСДЗ - оптико-цифровые системы дистанционного зондирования
ПО - программное обеспечение
ППП - пакет прикладных программ
ТЗ - техническое задание
ТС - техническая система
ЦФ - целевая функция
УДК - универсальная десятичная классификация
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важнейших моментов обеспечения успешной научно-производственной и социальной деятельности человечества является необходимость прогнозирования
функциональных и параметрических показателей окружающей среды, и технических систем на базе информации о текущем значении этих показателей. Известны различные методы и средства позволяющие прогнозировать состояние техногенных систем с целью повышения надёжности функционирования и возможности предотвращения нежелательных последствий. Наиболее важные подобные системы - это многопараметрические динамические технические системы (МДТС), например атомные электростанции, космические станции, нефте-газопроводы и другие. Технические средства, обеспечивающие текущий контроль показателей качества
функционирования МДТС являются сенсорные устройства, на основе информации получаемых от них может быть определена прогнозная функция. В этой связи в зависимости от объёма априорной информации достоверность и точность прогноза зависит от выбранного метода построения и алгоритма реализации в виде прогнозной функции для МДТС.
Информационно-измерительные и управляющие системы и в частности системы дистанционного зондирования (мониторинга) относятся к классу МДТС при этом одним из важнейших требований, предъявляемым к их характеристикам, является устойчивое их функционирование на период их жизненного цикла в условиях неоднозначности обстановки относительно внешних возмущений. Для обеспечения функциональной устойчивости МДТС в процессе её эксплуатации необходимо проведение периодического тестирования. В этой связи актуально развитие методов построения и алгоритмов его реализации в прогнозирования, как в реальном масштабе времени, так и в виде прогнозной оценки состояния МДТС в соответствии с апостериорными данными.
Проектирование МДТС всегда ведётся в условиях ограничений на материальные, энергетические, временные и прочие виды ресурсов. Для однопараметрических технических систем построение прогнозной модели, как правило, не вызывает больших проблем, однако, для МДТС, работающих в автономном (автоматическом) режиме с продолжительным сроком эксплуатации прогнозирование их функционального состояния является обязательным условием. Особенно это актуально для МДТС мониторинга окружающей среды, работающих в автоматическом режиме, где исходная информация об инспектируемой системе возможна только с помощью оптического или радио диапазона излучения. В этой связи актуально решение следующих основных теоретических и практических проблем:
1. Развитие методов построения и алгоритмов реализации долгосрочного прогнозирования в автономных МДТС при неопределенности воздействия внешних возмущений (изменения давления, температуры, влажности).
2. Получение своевременной информации в реальном масштабе времени о метеоусловиях и дальнейшее прогнозирование метеообстановки, которое позволило бы обеспечить предсказуемость результатов народно-хозяйственной деятельности и безопасность жизнедеятельности.
В диссертации из всего многообразия МДТС разработка и исследование алгоритмов прогнозирования выполняется на примере локальных систем: оптико-цифровой системы типа лидар и автономной малогабаритной метеостанции.
Целью работы является разработка и исследование алгоритмов прогнозирования состояния многопараметрической динамической технической оптико-цифровой системы типа лидар и автономной мобильной метеорологической станции, позволяющих при неопределенности воздействия внешних возмущений обеспечить стабильность их функционирования за счет прогнозного управления.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Разработка структурно-функциональной схемы МДТС и модели её функционирования, позволяющая обеспечить стабильность и повысить эксплуатационные характеристики в пределах допуска ТЗ.
2. Разработка и исследование алгоритма моделирования МДТС, на основании апостериорной информации с последующим прогнозированием её функционально¬параметрического состояния.
3. Разработка алгоритма построения прогнозной модели состояния МДТС и оценка её достоверности.
4. Разработка алгоритма и программного обеспечения (ПО) реального и прогнозного состояния МДТС.
Объектом исследования являются МДТС, работающие в автономном (автоматическом) режиме в реальных условиях эксплуатации.
Предметом исследования являются аналитические и компьютерные методы прогнозирования состояния МДТС, работающих в автономном режиме в реальных условиях эксплуатации.
Методы исследования включают в себя методы математического и компьютерного моделирования, методы обработки результатов эксперимента, методы аппроксимации и экстраполяции, теорию систем, информатику и прикладную математику.
Научную новизну работы составляют:
1. Обобщенная структурно-функциональная схема МДТС, работающей в автономном
режиме.
2. Обобщенная прогнозная модель МДТС, работающей в автономном режиме.
3. Прогнозная аналитическая и компьютерно-ориентированная модель состояния оптико-цифровой системы типа лидар, работающей в автономном режиме, на основе апостериорной информации.
4. Прогнозная аналитическая и компьютерно-ориентированная модель состояния автономной (автоматической) метеорологической станции, работающей на основании апостериорной информации.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана обобщенная структурно-функциональную схема МДТС, работающей в автономном режиме. Разработаны обобщенный алгоритм прогнозирования и прогнозная модель многопараметрической динамической технической системы, работающей в автономном режиме. Разработан алгоритм и прогнозная аналитическая и компьютерно-ориентированная модель состояния оптико-цифровой системы типа лидар, работающей в автономном режиме, на основании апостериорной информации. Разработан алгоритм и прогнозная аналитическая и компьютерно-ориентированная модель состояния автономной автоматической метеостанции с радиоканалом связи, на основании апостериорных данных.
В рамках внедрения диссертационной работы и по результатам её апробации, проведённые исследования позволили получить необходимые тактико-технические характеристики для оптико-цифрового лидара и автономной (автоматической) мобильной метеорологической станции.
Практическую ценность работы составляют:
1. Алгоритм моделирования МДТС, на основании апостериорной информации с последующим прогнозированием её функционально-параметрического состояния на примере оптико-цифрового авиационного лидара и автономной мобильной метеостанции.
2. Алгоритм построения прогнозной модели состояния МДТС и оценка её достоверности.
3. Алгоритм и программное обеспечение (ПО) реального и прогнозного состояния для автономной мобильной метеорологической станции, работающей на основании апостериорной информации.
4. Алгоритм и ПО реального и прогнозного состояния для авиационного лидара, работающего на основании апостериорной информации.
5. Прогнозная аналитическая и компьютерно-ориентированная модель состояния оптико-цифровой системы типа лидар, работающей в автономном режиме, на основании апостериорной информации.
6. Прогнозная аналитическая и компьютерно-ориентированная модель состояния автономной мобильной метеорологической станции, работающей на основании апостериорной информации.
В ходе решения охарактеризованных задач сформулированы положения, выносимые на защиту:
1. Для повышения эксплуатационных характеристик сложной технической системы эффективно использовать численный метод построения прогнозных аналитических моделей МДТС (с выделением базовой, уточняющей и регулирующей компонент процесса) для реальных условий эксплуатации на основании апостериорной информации.
2. Для достижения эксплуатационной устойчивости системы и повышения точности прогнозирования при неопределенности воздействия внешних возмущений следует использовать: алгоритмы: построения прогнозной модели состояния МДТС с оценкой её достоверности и моделирования МДТС на основании апостериорной информации с последующим прогнозированием её функционально-параметрического состояния.
3. Для обеспечения функционально-параметрической стабильности МДТС в пределах регламентированного ТЗ допуска и повышения точности прогнозной оценки на основании апостериорной информации применительно к оптико-цифровой системе типа лидар и мобильной метеорологической станции, работающей в автономном режиме следует использовать прогнозные аналитические и компьютерно-ориентированные модели, а также ПО реального и прогнозного состояния МДТС.
Достоверность научных результатов и выводов обусловлена обоснованностью корректного применения математического аппарата при выводе основных уравнений метода, адекватной процедурой идентификации параметров модели на основании обобщенных результатов натурных экспериментов.
Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы компаниями ООО "ЛОМО-МЕТЕО", ООО «ОКБ Тест», ООО "АвтоВизус" и в федеральной целевой программе Министерства образования и науки Российской Федерации (грантовое соглашение RFMEFI58716X0031), а также внедрены в учебный процесс на кафедрах ИПМ и ОЦСиТ (базовая) Университета ИТМО путем постановки курса в рамках магистерских образовательных программ.
Апробация работы. Полученные результаты обсуждались на 14 международных и всероссийских конференциях:
- X Международная научная конференция «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития современного общества» (г.Москва, Россия, 2013г.);
- IX Международная научная конференция «Тенденции и перспективы развития современного научного знания» (г.Москва, Россия, 2013 г.);
- X Международная научная конференция «Теоретические и практические аспекты развития современной науки», (г.Москва, Россия, 2013 г.);
- Всероссийский конгресс молодых ученых (г.С-Петербург, Россия, 2014г.);
- The V international practical conference «Science and Education» (Munich, Germany 2014);
- The IV international research-practical conference «Science, Technology and Higher Education» January (Westwood, Canada, 2014);
- Конгресс пo интеллектуальным системам и информационным технологиям "IS&IT' 14"(г.Геленджик-Дивноморское, Россия, 2014г.)
- Конгресс пo интеллектуальным системам и информационным технологиям "IS&IT' 15" (г.Геленджик-Дивноморское, Россия, 2015г.);
- VII международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (г.С-Петербург, Россия, 2015г.);
- Всероссийский конгресс молодых ученых (г.С-Петербург, Россия, 2015г.);
- Международная научная конференция «Инновационная наука и современное общество» (г.Уфа, Россия, 2015г.);
- Международная научная конференция «Инновационное развитие современной науки» (г.Уфа, Россия, 2015г.);
- ICUMT 2015 - «The 7-th International Congress on Ultra-Modern Telecommunications and Control Systems» (Brno, Czech Republic, 2015);
- CSNT 2016 - «The International Conference on Communication Systems and Network Technologies 2016» (Chandigarth City, India, 2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 4 научных работы - в изданиях, индексируемых ВАК, SCOPUS, 3 учебных пособия, монография в двух частях (на русском и английском языках). Оформлен 1 Грант Правительства г.С-Петербурга.
Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в следующем: выполнение аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы, аналитическое и компьютерное исследование моделей и алгоритмов. Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертационную работу включены результаты, соответствующие личному вкладу автора:
1. Разработанная классификация МДТС по функции её целевого назначения для построения прогнозной модели и декомпозиционного моделирования технических процессов.
2. Разработанная обобщенная структурно-функциональная схема МДТС, работающей в автономном режиме с функцией прогнозного управления, позволяющая повысить
эксплуатационные характеристики сложной технической системы.
3. Разработанный принцип композиции и декомпозиции МДТС с неизвестными и сложными законами функционирования на основании экспериментальных данных, с различной степенью детализации применительно к автономной мобильной метеостанции, используемый в процессе моделирования ее параметров.
4. Разработанный алгоритм моделирования МДТС, на основании апостериорной информации с последующим прогнозированием её функционально-параметрического состояния на примере оптико-цифрового авиационного лидара и автономной мобильной метеостанции, позволяющий при неопределенности воздействия внешних возмущений достичь более высокой эксплуатационной стабильности системы.
5. Разработанный алгоритм построения прогнозной модели МДТС с оценкой достоверности результатов прогнозирования.
6. Разработанный алгоритм и ПО реального и прогнозного состояния применительно к авиационному лидару, работающее на основании апостериорной информации, с точностью прогнозирования в пределах 70-80%, позволяющий при неопределенности воздействия внешних возмущений достичь состояния функциональной-параметрической стабильности системы.
7. Прогнозные аналитические и компьютерно-ориентированные модели состояния оптико-цифровой системы типа лидар и автономной мобильной метеостанции на основании апостериорной информации, с точностью прогнозирования их параметров в пределах 70-80%.
8. Реализация эффективного численного метода построения прогнозных аналитических моделей МДТС для реальных условий эксплуатации на основании апостериорной информации применительно к автономным мобильным малогабаритным метеорологическим комплексам.
9. Разработанный алгоритм реализации проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента.
10. Реализация эффективного численного метода оценки достаточности и достоверности полученных результатов прогнозирования параметрического состояния МДТС.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В список использованной литературы входит 86 наименований. Диссертация содержит 138 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков и 13 таблиц.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.
В ходе выполнения диссертационной работы автором лично был выполнен аналитический обзор проблемной области, аналитическое и компьютерное исследование моделей и алгоритмов оптико-цифровой системы типа лидар и автономной мобильной метеорологической станции по апостериорным данным. В процессе решения данной задачи были получены следующие результаты:
1. Для повышения эксплуатационных характеристик сложной технической системы разработан и исследован численный метод построения прогнозных аналитических моделей МДТС для реальных условий эксплуатации с выделением базовой (универсальной), уточняющей и регулирующей компонент процесса на основании апостериорной информации.
2. Для достижения эксплуатационной устойчивости системы и повышения точности прогнозирования ее состояния при неопределенности воздействия внешних возмущений разработаны алгоритмы: построения прогнозной модели состояния МДТС с оценкой её достоверности и моделирования МДТС на основании апостериорной информации с последующим прогнозированием её функционально-параметрического состояния.
3. Для обеспечения функционально-параметрической стабильности МДТС в пределах регламентированного ТЗ допуска и повышения точности прогнозной оценки на основании апостериорной информации применительно к оптико-цифровой системе типа лидар и мобильной метеорологической станции, работающей в автономном режиме разработаны и исследованы прогнозные аналитические и компьютерно-ориентированные модели, а также ПО реального и прогнозного состояния МДТС.
Полученные результаты в области математического моделирования, численных методов и комплексов программ соответствуют п.4 «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента», п.5 «Комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента» и п.6 «Разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента» согласно паспорта специальности 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».
Общий вывод. Использование результатов диссертационного исследования позволяет при неопределенности воздействия внешних возмущений обеспечить стабильность функционирования МДТС за счет прогнозного управления внутренними техническими процессами системы. Результаты работы были использованы компаниями ООО "ЛОМО- МЕТЕО", ООО «ОКБ Тест» и ООО "АвтоВизус". Таким образом, совокупность полученных выводов и научных положений показывает, что поставленные задачи по разработке и исследованию алгоритмов моделирования МДТС, на основании апостериорной информации с последующим прогнозированием её функционально-параметрического состояния выполнены.