Развитие теории и разработка мультиплексированных волоконно-оптических информационно-измерительных систем мониторинга сложных технических объектов

Актуальность работы. Современные атомные, тепловые и гидроэлектростанции, системы добычи и транспортировки углеводородов, химические и металлургические производства, крупные производственные комплексы являются сложными техническими объектами (СТО), функционирующими в условиях значительного износа основного и вспомогательного оборудования. В условиях медленно протекающей модернизации единственной возможностью поддержания работоспособности оборудования является развитие и применение систем мониторинга объекта с целью своевременного и всестороннего анализа • происходящих технологических процессов, диагностики состояния и прогнозов поведения в будущем. Необходимость мониторинга подтверждается Концепцией федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры и опасных грузов (принята распоряжением Правительства РФ № 1314-р от 27.08.2005 г.). Другим правоустанавливающим документом является Федеральная целевая программа «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года», принятая постановлением № 1 Правительства РФ от 06.01.2006 г.

Применяемые на предприятиях мониторинговые системы, построенные на основе классических информационно-измерительных систем, обладают рядом недостатков:

— разработаны для одного или нескольких предприятий определенного профиля, являются узкоспециализированными, ведомственными и требуют существенной доработки в случае применения в других условияхподвержены влиянию внешних дестабилизирующих факторов, приводящих к сбоям, внезапным и постепенным отказам;

— недостаточно защищены от несанкционированного преднамеренного или случайного вмешательства в их работуобладают, как правило, жесткой логикой работы, трудно адаптируемой к изменению происходящих в объекте процессов, не учитывают влияние человеческого фактора.

Отмеченных недостатков отчасти лишены волоконно-оптические информационно-измерительные системы (ВОИИС). По сравнению с классическими информационно-измерительными системами, ВОИИС обладают повышенной устойчивостью к влиянию температуры, влажности, электромагнитному и радиационному излучению, стойкостью к химическим воздействиям, характеризуются отсутствием искрообразования, повышенной безопасностью, обеспечивают скрытность передачи данных.

В последние годы основными направлениями научных исследований и вопросами практического применения ВОИИС являются способы получения, передачи и хранения информации в оптическом диапазоне волн, разработка волоконно-оптических датчиков и других компонентов, поддерживающих данные способы, разработка волоконно-оптических систем, интегрированных с объектом управления и контроля, совершенствование методов обработки полученных данных. В Самарском аэрокосмическом университете долгие годы под руководством профессора Н. Е. Конюхова велись разработки оптических компонентов и систем для использования в жестких условиях эксплуатации. В Московском государственном университете леса профессор В. Г. Домрачев возглавляет группу ученых, занимающихся вопросами интеграции компонентов волоконной оптики в информационно-измерительные системы, обработкой результатов измерений с помощью современных информационных технологий. В Пензенском государственном университете под руководством профессора Т. И. Мурашкиной ведутся разработки и исследования первичных преобразователей информации для ВОИИС. В Дальневосточном государственном техническом университете под руководством члена-корреспондента РАН Ю. Н. Кульчина ведется разработка распределенных оптоэлектронных информационно-измерительных систем мониторинга безопасности техногенных объектов.

Весомый вклад в развитие теории, разработку научных основ создания ВОИИС и их компонентов внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые: В. И. Бусурин, М. М. Бутусов, И. В. Голубятников, В. М. Гречишников, Е. А. Зак, К. Л. Куликовский, Г. И. Леонович, Ю. Р. Носов, Л. Н. Преснухин, В. В. Слепцов, В. Е. Шатерников, Т. Окоси, К. Окамото, Дж. Гауэр, Д. Гринфилд и др.

В то же время, вопрос промышленного использования ВОИИС недостаточно проработан как в научном, так и в техническом аспекте. Недостатками существующих ВОИИС является сложность входящих в их состав компонентов, низкая технологичность, и, как следствие, высокая стоимость, часто соизмеримая со стоимостью самого объекта мониторинга. Используются, как правило, дорогостоящие аналоговые первичные преобразователи информации, даже в тех случаях, когда для адекватной работы системы достаточно определить значения параметра в нескольких контрольных точках. Не найдено приемлемых способов мультиплексирования волоконно-оптических каналов передачи данных. Спектральное уплотнение сигналов затруднено уже при 4.5 источниках сообщений. Это связано с наличием фиксированного числа окон прозрачности в оптическом волокне, отсутствием доступной оптоэлектронной элементной базы, наличием перекрестных искажений в каналах. Технология плотного спектрального мультиплексирования предполагает использование дорогостоящих лазеров, стабильно выдерживающих нужную длину волны, а также узкополосных оптических фильтров, настроенных на узкий спектральный диапазон. Разделение каналов во времени требует применения фемтосекундных технологий, использования дорогостоящих элементов оптической задержки. Способы поляризационного и модового мультиплексирования в настоящее время находятся на стадии лабораторных исследований [64]. Определенные трудности возникают при необходимости перестройки структуры мониторинговой системы, изменении алгоритма ее работы, решении задач масштабирования, обработки больших потоков данных с выделением полезной составляющей. Это связано с использованием жесткой логики работы электронных блоков ВОИИС, отсутствием интеллектуальной составляющей при автоматическом принятии решений.

Таким образом, основным недостатком существующих мониторинговых ВОИИС является невозможность реализации их несомненных технических преимуществ в сочетании с приемлемой стоимостью. Данный недостаток не позволяет ВОИИС конкурировать с классическими системами в условиях вынужденной экономии материальных ресурсов.

Поэтому разработка и исследование волоконно-оптических информационно-измерительных систем, сочетающих в себе способность надежно работать в жестких условиях эксплуатации с технологичностью изготовления, гибкостью применения и конкурентной стоимостью, представляет собой серьезную научную проблему, имеющую широкое значение для развития отечественной науки и техники. Использование результатов работы повышает безопасность эксплуатации СТО, что является существенным вкладом в развитие экономики страны. Исходя из вышесказанного, тема диссертационного исследования представляется актуальной.

Объект исследования. Объектом исследования являются волоконно-оптические информационно-измерительные системы мониторинга сложных технических объектов.

Предмет исследования. Предметом исследования являются способы мультиплексирования бинарных оптических сигналов, датчики и компоненты волоконно-оптических систем, реализующие данные способы, а также методы интеллектуальной обработки информации в ВОИИС.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование мультиплексированных волоконно-оптических информационноизмерительных систем, обеспечивающих эффективный и качественный мониторинг параметров сложных технических объектов с одновременной экономией материальных ресурсов на проектирование, внедрение и эксплуатацию систем.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

— сформулированы принципы построения, разработаны структурная схема и математическая модель мультиплексированной ВОИИС;

— разработаны и исследованы способы мультиплексирования бинарных оптических сигналов, базирующиеся на принципах аддитивного и мультипликативного многоуровневого кодирования;

— предложены и исследованы способы организации множественного доступа к волоконно-оптическому каналу передачи данных, основанные на инвариантных к воздействию дестабилизирующих факторов методах кодирования;

— разработаны и исследованы конструктивно простые, технологичные и надежные первичные преобразователи информации для предложенных способов мультиплексирования бинарных оптических сигналов;

— разработаны и исследованы математические модели основных функциональных компонентов мультиплексированных ВОИИС, на основе предложенных моделей разработаны методики определения параметров мультиплексированных систем и алгоритмы синтеза их оптимальных характеристик;

— обоснована целесообразность применения интеллектуальных методов обработки информации в ВОИИС, разработаны модель принятия решений и представления знаний, предложены аппаратные и программные средства для реализации интеллектуальных систем;

— исследованы информационно-энергетические и метрологические характеристики мультиплексированных ВОИИС, выработаны практические рекомендации по разработке волоконно-оптических информационно-измерительных систем и их компонентов;

— выполнены экспериментальные исследования и осуществлена практическая реализация разработанных мультиплексированных ВОИИС мониторинга СТО.

Методы исследования. Использованы основные положения теории измерений, теории вероятностей и математической статистики, теории передачи сигналов, методы мультиплексирования и кодирования сигналов, методы волоконной и интегральной оптики, методы оптимизации, методы имитационного моделирования на основе сетей Петри.

Научная новизна работы. Основные научные результаты работы заключаются в следующем: впервые сформулированы принципы построения ВОИИС мониторинга СТО, предусматривающие пространственное разделение оптомеханической и электронной части системы, применение конструктивно простых и технологичных бинарных датчиков, мультиплексирование сигналов первичных преобразователей в оптическом диапазоне, применение интеллектуальных методов обработки информацииразработаны новые способы и математические модели мультиплексирования бинарных оптических сигналов на основе аддитивного и мультипликативного многоуровневого кодирования;

— предложены и исследованы способы организации множественного доступа датчиков к единому волоконно-оптическому каналу, основанные на инвариантных к воздействию дестабилизирующих факторов методах кодированияразработана оригинальная базовая конструкция бинарного оптомеханического датчика перемещений, отличающаяся надежностью, технологичностью, помехозащищенностью, взаимозаменяемостью основных элементов;

— с помощью имитационной модели на основе аппарата сетей Петри создана методика определения взаимосвязи между структурой объекта, характером протекающих в нем процессов, количеством контролируемых параметров и числом мультиплексированных каналов передачи данных;

— предложены методы интеллектуальной обработки информации для мультиплексированных ВОИИС, разработаны математические модели принятия решений, способы организации базы знаний, аппаратные и программные средства для их реализации.

Практическую ценность работы определяют:

— предложенные способы мультиплексирования бинарных оптических сигналов, схемы основных функциональных компонентов, интеллектуальные методы обработки информации, обеспечивающие конкурентные преимущества мультиплексированных ВОИИС мониторинга СТОразработанные конструкции первичных преобразователей информации, предложенные способы кодирования сигналов бинарных оптомеханических датчиков, инвариантные к воздействию дестабилизирующих факторов, методы автоматической коррекции основных погрешностей, определяющие основные эксплуатационные характеристики мультиплексированных ВОИИС;

— разработанная методика выбора числа мультиплексируемых каналов, выполненные расчеты информационно-энергетических и метрологических характеристик, разработанные алгоритмы оптимизации функции преобразования мультиплексоров, которые в силу своей универсальности могут найти применение в смежных областях науки и техники.

На защиту выносятся следующие положения:

— принципы построения, структурная схема и математическая модель мультиплексированных ВОИИС мониторинга СТО;

— способы мультиплексирования бинарных оптических сигналов на основе многоуровневого аддитивного и мультипликативного кодирования;

— конструкции бинарных датчиков и других функциональных компонентов ВОИИС, их математические модели;

— инвариантные к внешним воздействиям способы кодирования сигналов при организации множественного доступа к каналу передачи данныхметод имитационного моделирования мультиплексированных ВОИИС на основе сетей Петри;

— методы интеллектуализации ВОИИС, модель и алгоритм принятия решений, способ представления знаний в интеллектуальных системах;

— способы расчета параметров, оптимизации характеристик и коррекции погрешностей компонетов мультиплексированных ВОИИС.

Реализация и использование результатов работы. Результаты работы, связанные с имитационным моделированием процессов в сложных технических объектах, использовались при проектировании систем автоматики и телемеханики предприятия ООО НПВФ.

Универсалгидромеханизация" (г. Сургут) с целью повышения точности и достоверности информации. Принципы построения мультиплексированных ВОИИС использованы при разработке систем закачки ингибиторов коррозиии и очистки отработавшего газа, а также системы обнаружения утечки нефтепродуктов на внутрипромысловых и магистральных трубопроводах.

Полученные результаты, связанные с разработкой и исследованием мультиплексированных ВОИИС, использованы при проектировании и внедрении волоконно-оптической системы мониторинга состояния объекта энергетики «Автоматизированный тепловой пункт» предприятием ООО «Телекомстройсервис» (г. Самара). Работа выполнена на основании приказа руководителя № 31/1 от 01.09.2009 г. Использование результатов работы позволило сократить сроки проектирования и внедрения в 1,5 раза, уменьшить стоимость разработки и внедрения на 20%, а стоимость сервисного обслуживания на 30 — 35%.

Результаты диссертационной работы, связанные с разработанными методами аддитивного и мультипликативного многоуровневого кодирования, использованы в Научно-исследовательстком институте физических измерений (г. Пенза) при выполнении опытно-конструкторской разработки многоразрядных оптоэлектронных цифровых преобразователей угловых и линейных перемещений для жестких условий эксплуатации по теме «Возрождение» (Госконтракт № 783−5702/09 от 18.03.2009). Реализация предлагаемых решений позволила повысить надежность, унифицировать конструкции и улучшить технико-экономические показатели разрабатываемых преобразователей типа ПЛО 064 и 00−021.

Разработанные в диссертации методы мультиплексирования оптических сигналов, конструкции первичных преобразователей и интеллектуальные методы обработки информации используются в системах контроля и управления доступом предприятий ООО.

Детальстройконструкция" и ЗАО «Средневолжский завод полимерных изделий» (г. Тольятти). При этом стоимость разработки системы контроля и управления доступом ниже на 17−28%, а стоимость обслуживания ниже на 31 — 42% стоимости аналогичных систем при сохранении функциональных возможностей и надежности.

Теоретические и практические аспекты построения ВОИИС с множественным доступом, результаты имитационного моделирования работы системы используются для определения оптимального соотношения числа датчиков охранной сигнализации и количества служебных каналов передачи данных на предприятии ЗАО «ЫУ^юпОгоир» (г. Москва). На основе базовой конструкции бинарного оптомеханического датчика разработаны концевые выключатели для систем контроля и управления доступом к промышленным объектам. Разработанные в диссертации схемы оптоэлектронных модулей используются при сопряжении блоков, входящих в интегрированную систему безопасности объектов. Использование результатов диссертационной работы позволило повысить надежность систем, обеспечивающих безопасность промышленных объектов, возможность работы систем контроля доступа в режиме реального времени в условиях деструктивного воздействия внешних факторов.

Результаты диссертационной работы использованы в Государственном научно-производственном ракетно-космическом центре «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) при проведении научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности в соответствии с темой «Ресурс-П», утвержденной приказом руководителя предприятия от 06.09.2007 г. № 465. Переданые технические предложения по способам построения ВОИИС с мультиплексированными каналами, выполнению конструктивных сопряжений оптоэлектронных и волоконно-оптических устройств с элементами радиоэлектронной аппаратуры, результаты экспериментальных данных по исследованию характеристик оптоэлектронных устройств, методики расчета и моделирования волоконно-оптических систем передачи данных, рекомендации по выбору элементной базы оптоэлектронных и волоконно-оптических компонентов позволили повысить показатели качества в процессе проектирования радиоэлектронных средств, в два раза сократить затраты на проведение научно-исследовательских работповысить производительность труда в процессе проектно-конструкторских работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 18 международных, всероссийских, республиканских, региональных и отраслевых симпозиумах и научно-технических конференциях в период с 1992 по 2009 годы: Второй Всероссийской конференции по механике и управлению движением шагающих машин, Волгоград, 1992; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 1992; Республиканской научно-технической конференции «Лазерная технология и ее применение в промышленности России», С.-Петербург, 1992; Первой Поволжской научно-технической конференции «Научно-исследовательские разработки и высокие технологии двойного применения», Самара, 1995; Третьей межвузовской научно-практической конференции «Прикладные математические задачи в машиностроении и экономике» Самара, 2006; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций, Самара, 2007; Второй Международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2007; Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2008», Одесса, 2008, 2009; Пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», С.-Петербург, 2008; Международном симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2008, 2009;

Восьмом Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы», Нижний Новгород, 2008; XII Международной научной конференции, посвященной памяти академика М. Ф. Решетнева «Решетневские чтения», Красноярск, 2008; Девятой Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ-2008, Казань, 2008; Шестой Международной конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» ОТТ-2008, Казань, 2008; Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций, Самара, 2008, 2009.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

Публикации. По теме диссертационного исследования самостоятельно и в соавторстве опубликовано 47 печатных работ, включая три научные монографии, два научно-учебных пособия, восемь статей в периодических изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено три патента РФ на изобретение, одно положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение и два патента РФ на полезную модель. Публикации полностью отражают основное содержание диссертационной работы.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, списка литературы из 164 наименований, приложения. Объем диссертационной работы составляет 280 машинописных страниц основного текста, включая 90 рисунков и 27 таблиц.

Выводы и основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснована необходимость измерения и контроля параметров сложных технических объектов и анализа полученных данных в режиме реального времени. Основным и наиболее эффективным инструментом мониторинга СТО является информационно-измерительная система, характеристики. которой в значительной мере определяют качество мониторинга.

2. Доказано, что наиболее перспективным видом информационно-измерительных систем для решения существующих проблем мониторинга являются ВОИИС, обеспечивающие эффективный, гибкий и постоянный контроль параметров СТО в условиях дестабилизирующего воздействия внешних факторов.

3. Впервые сформулированы принципы построения мультиплексированных ВОИИС, предусматривающие разделение оптомеханической и электронной частей системы, применение датчиков с цифровым оптическим выходом, мультиплексирование сигналов в оптическом диапазоне, применение интеллектуальных методов обработки информации. На основе сформулированных принципов разработаны структурная схема и математическая модель мультиплексированной ВОИИС.

4. Предложены новые способы мультиплексирования бинарных оптических сигналов на основе аддитивного и мультипликативного многоуровневого кодирования, разработаны волоконно-оптические компоненты, реализующие данные способы. На основе разработанных математических моделей волоконно-оптических компонентов исследованы их характеристики.

5. Впервые предложен способ организации множественного доступа первичных источников информации к каналу передачи данных, позволяющий увеличить информационную емкость ВОИИС. Для реализации множественного доступа разработаны бинарные оптомеханические датчики дифференциального типа, отличающиеся конструктивной простотой, технологичностью, помехоустойчивыми способами кодирования информации.

6. В результате имитационного моделирования с помощью сетей Петри разработана методика определения взаимосвязи между структурой объекта, характером протекающих в нем процессов, количеством контролируемых параметров и числом мультиплексированных каналов передачи данных.

7. С целью повышения качества мониторинга предложена методика и разработан алгоритм проектирования интеллектуальных ВОИИС. Разработана и исследована модель принятия решений в интеллектуальной ВОИИС, учитывающая структуру и функции системы, взаимные связи элементов внутри системы с учетом изменяющихся внешних воздействий.

8. Показано, что дальнейшая интеллектуализация ВОИИС возможна с использованием динамических экспертных систем. Преимуществом динамических экспертных систем является многоаспектность анализа принимаемых решений, четко выраженная целевая ориентация, наличие механизмов прогноза дальнейшего развития событий с учетом изменений внешней среды.

9. Выполнен анализ погрешностей, вносимых компонентами мультиплексированных ВОИИС. Определено условие достоверности выходного кода ВОИИС, при котором результирующее влияние погрешностей ограничено половиной младшего разряда выходного кода. Определены технологические допуски на параметры волоконно-оптических компонентов.

10. В результате экспериментальных исследований основных функциональных компонентов ВОИИС получено практическое подтверждение справедливости разработанных математических моделей. Объяснены причины расхождения экспериментальных и расчетных данных.

11. Осуществлена практическая реализация разработанных способов, алгоритмов, методик и технических решений. Практическая ценность работы подтверждена актами использования полученных результатов рядом государственных и промышленно-коммерческих предприятий.

Анализ приведенных выше результатов показывает, что представляемая работа связана с решением крупной научно-технической задачи и развитием нового научного направления — мультиплексированных волоконно-оптических информационно-измерительных систем, ориентированных на работу с бинарными оптическими сигналами и предназначенными для мониторинга состояния сложных технических объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.