Możliwość komputerowego wspomagania diagnozowania silników tłokowych stosowanych w transporcie morskim

Transkrypt

1 WITKOWSKI Kazmerz Możlwość omputerowego wspomagana dagnozowana slnów tłoowych stosowanych w transporce morsm WSTĘP Współczesna esploatacja słown orętowych wymaga wprowadzana na stat systemów dagnostycznych. Mogą one przyneść szereg orzyśc wymernych zwązanych z oszczędnoścą palwa, zmnejszenem zużyca częśc, wydłużenem oresów mędzynaprawczych oraz newymernych zmerzających mędzy nnym do podnesena bezpeczeństwa żeglug. Tłoowe sln o zapłone samoczynnym stanową w zdecydowanej węszośc napęd główny statów towarowych oraz są stasowane w eletrownach orętowych do napędu prądnc. Koszty ch esploatacj są bardzo duże, przede wszystm z uwag na stale rosnące ceny palw olejów smarnych. Stąd oszty esploatacj slnów orętowych stanową ponad 70% osztów esploatacj całej słown orętowej. Bezpośredn zwąze pomędzy nezawodnoścą orętowych slnów tłoowych a bezpeczeństwem żeglug oraz znaczący udzał slnów w osztach esploatacj powodują, że na statach przeważająca lczba metod urządzeń dagnostycznych opracowywana jest z myślą o tych obetach. Celem utyltarnym tego dzałana pownna być możlwość: realzacj zadań prowadzących do rozpoznawana oreślana atualnego stanu czego wynem jest dagnoza, rozpoznawana przyszłych stanów slna czego wynem jest genezaczyl oreślene przyczyn zastnena obecnego stanu, rodzaju przyczyn nesprawnośc czy uszodzena, przewdywana przyszłych stanów slna, czego efetem będze prognoza rozumana jao oreślene horyzontu czasowego przyszłej zmany stanu techncznego. O le to możlwe, należy równeż powązać możlwość oreślana fatycznego stanu techncznego slna z prowadzenem jego racjonalnej gospodar remontowej. Znaczące znaczene dla sutecznośc dzałań dagnostycznych może meć ażda próba dosonalena algorytmów dagnostycznych oraz automatyzacja omputeryzacja procesu dagnozowana. W budowe sutecznych algorytmów programów dagnostycznych można stosować metody bazujące na teor rozpoznawana obrazów. METODY ROZPOZNAWANIA OBRAZÓW Możlwość zastosowana metod rozpoznawana obrazów w dagnostyce wyna z założena, że obrazy obetu pewnej lasy znajdującego sę w oreślonym stane techncznym są blższe sobe nż obrazy tego obetu w nnych stanach. Metody rozpoznawana obrazów były omówone w welu pracach [,, 3, 4, 5, 6, 9]. Można wyróżnć probablstyczne determnstyczne metody rozpoznawana obrazów [, ]. Przy podejścu probablstycznym przyjmuje sę, że stneje obet, tóry znajduje sę w jednym z n losowych stanów D. Jest równeż znany zbór parametrów dagnostycznych, tóre z oreślonym prawdopodobeństwem charateryzują stan tego obetu. Należy sformułować zasadę decyzyjną, przy tórej wybrany do dagnozowana zbór wartośc parametrów można by odneść do jednej z możlwych dagnoz (stanów). W metodze tej bardzo ważne jest doonane oceny warygodnośc przyjętego rozwązana stopna ryzya rozwązana błędnego. Dr hab. nż., K. Wtows, prof. nadzw. Aadem Morsej w Gdyn, Wydzał Mechanczny, Katedra Słown Orętowych 96

2 Determnstyczne metody rozpoznawana pozwalają rozwązać zadane dagnostyczne z wyorzystanem welowymarowej, geometrycznej przestrzen rachunu wetorowego. Jeżel obet jest opsany n-wymarowym wetorem X, to dowolny stan tego obetu przedstawony jest w n- wymarowej przestrzen parametrów w postac puntu, a raczej pewnego obszaru tej przestrzen. Należy znaleźć zasadę, według tórej dagnozowany obet, tórego stan technczny opsany przez wetor X jest porównywany z oreślonym obszarem przestrzen odpowadającym danej dagnoze. Rozwązane tego problemu można uzysać wyorzystując metody lnowe, funcj potencjalnych, aprosymacj stochastycznej metryczne metody rozpoznawana. Z lnowych metod rozpoznawana wywodzą sę metody podzału w przestrzen objawów, a wśród nch metoda funcj rozpoznających (rozdzelających). Jedną z metrycznych metod rozpoznawana jest dagnozowane na podstawe pomaru odległośc od wzorca. W dalszej częśc doonano porównana tych metod w celu wsazana metody optymalnej w zastosowanu do budowy algorytmów programów dagnostycznych slnów orętowych.. Metoda funcj rozpoznających Metoda ta oparta jest na tzw. hpoteze zwartośc lub ompatnośc, według tórej punty odzwercedlające jeden ten sam stan obetu (dagnozę) grupują sę w oreślonej częśc przestrzen objawów, stanowąc obszar odpowadający dagnoze D. Warune zwartośc (ompatnośc) sprowadza sę do tego, aby lczba puntów grancznych obszaru danej dagnozy była znaczne mnejsza anżel ogólna lczba puntów tworzących ten obszar. W metodze funcj rozpoznających przyjmuje sę założene, że w przestrzen objawów wyznaczonej przez n-wymarowy uład współrzędnych, tórego ose opsane są olejnym parametram dagnostycznym x, x,...,x N, znajdują sę punty odpowadające różnym dagnozom (stanom) obetu D, D,..., D N. Pod pojęcem funcj rozpoznającej rozume sę taą funcję salarną f (X) ( =,,..., n), tóra spełna następujący warune: f (X) f (X) przy X D (j=,,..., n, j W taej sytuacj funcja f (X) przybera dla puntów dagnozy D najwęsze wartośc w porównanu z nnym funcjam. Oznaczene f (X) ujmuje zależność funcj od wszystch współrzędnych przestrzen x, x,...,x N. f (X) = f(x, x,...,xn) () j ) Przyładem taej funcj od -tej dagnozy będze wyrażene: gdze:,,,n+ współczynn wagowe. Współczynn wagowe można przyjąć jao: f(x) = λ x + λ x λ N xn + λ,n+ (3) gdze: - średnowadratowe odchylene parametru x j do dagnozy D. j λ j = (4) δ j Welość ta ma wówczas jasny fzyczny sens. Im mnejszy jest rozrzut parametrów dagnostycznych, tym węsza jest jego wartość dagnostyczna. Najwęsze pratyczne znaczene w powyższej metodze ma możlwość rozdzelena stanów na dwe dagnozy D D (np. zdatny nezdatny). Przy rozpoznawanu tych dwóch stanów można przyjąć różncę odpowednch funcj: f(x) = f (X)- f(x) (5) () 97

3 Wówczas można przyjąć, że: f(x) 0 gdy X D f(x) 0 gdy X D Lnowa funcja rozpoznająca (rozdzelająca) dwa stany będze mała wówczas postać: f(x) = f(x)- f(x) x + x nx n + N+ (6). Metryczne metody rozpoznawana Jedną z metrycznych metod rozpoznawana jest dagnozowane na podstawe pomaru odległośc od wzorca. Załada sę, że atualny obraz stanu techncznego obetu opsany wartoścam parametrów dagnostycznych, jest bls jednemu ze znanych, typowych objawów nezdatnośc. Załada sę węc, że możlwym jest rozróżnene stanu techncznego obetu na podstawe obserwacj obrazu, ja tworzą parametry dagnostyczne opsujące jego stan. Parametry dagnostyczne tworzą n-wymarowy wetor stanu X znajdujący sę w przestrzen objawów nezdatnośc: X = (x, x,..., x,..., x ) (7) j gdze: X - wetor stanu badanego obetu, x j - współrzędne w przestrzen objawów (mogą to być welośc cągłe lub dysretne). W n-wymarowej przestrzen stneje równeż pewna lczba wetorów wzorcowych A, utworzonych na podstawe tablc uszodzeń opsujących wybrane stany technczne obetu. Każdemu z nch odpowada dagnoza D : A = (a, a,..., a,..., a ) (8) Dagnostyczna mara odległośc mędzy wetorem X, a olejnym wetoram A wyraża sę wówczas wzorem: L n j n n = l (X,A) j (xj - an ) (9) gdze: L - dagnostyczna mara odległośc mędzy wetorem X wetorem A, j - współczynn wagowy j-tego wymaru przestrzen oraz -tej dagnozy. Rozpatrywane stanu obetu, a węc tym samym postawene dagnozy, polega na pomarze odległośc mędzy ońcem wetora X, a ońcam poszczególnych wetorów A, oraz odpowednej analze tych odległośc. Im mnejsza jest odległość mędzy danym puntam w porównanu z nnym odległoścam, tym węsze jest prawdopodobeństwo wystąpena uszodzena przypsanego odpowednemu puntow. L = mn x D (0) Analza ta sprowadza sę (w najprostszym przypadu) do wyznaczena tzw. współczynnów rozpoznawana ξ : L ξ () n L s Istotę przedstawonego ujęca poazano na rysunu. s 98

4 Rys..Dagnozowane na podstawe odległośc od wzorca [8].3 Porównane metrycznej metody z metodą funcj rozpoznających Porównując metryczną metodę rozpoznawana opartą na oreślenu mnmalnej odległośc od wzorca, z metodą funcj rozpoznających, można doonać następującego wyboru funcj: f(x) = ; f (A) () L L Wówczas warune (7.5) przyjmuje postać: L L f(x) f (X) = 0 (3) L L L L Wyrażene (7.) ne jest jedyną możlwą postacą funcj rozpoznającej. Można równeż wybrać następującą: f (X) = L f (X) = L (4) Należy teraz rozpatrzeć sytuację, w tórej przyjęta zostane wadratowa dagnostyczna mara odległośc od wzorca: L X A (X A ) (X A ) (5) Funcja rozpoznająca zgodne z równanem (4) przyjmuje teraz postać: f (X) = L X A A X (6) Poneważ welość X jest równa dla wszystch funcj rozpoznających, to można przyjąć następującą postać ońcową: Przy dagnozowanu dwóch stanów D postać: A f(x) X A - (7) D funcja rozpoznająca, rozdzelająca te stany ma A A f(x) = f(x)- f (X) X (A A ) (8) Uwzględnając równane (7) podsumowując można stwerdzć, że metoda mnmalnej odległośc od wzorca przy wadratowej merze odległośc prowadz do lnowej funcj rozdzelającej (porównaj z równanem (6)): f(x) = λ x λ x... λ x (9) gdze N-wymarowy wetor wagowy ma postać: N N λn 99

5 a wagowy współczynn N+ ma postać: λ A A (0) A A λn / () Z doonanego porównana obu metod rozpoznawana wyna, że stneje mędzy nm duże podobeństwo. Metodę opartą na oreślenu mnmalnej odległośc od wzorca z wyorzystanem wadratowej mary odległośc daje sę sprowadzć do lnowej funcj rozpoznającej stany. Stosowane jedna lnowej funcj rozpoznającej ompluje sę w sytuacjach edy rozpoznawanu podlega duża lczba obrazów rozmeszczonych w N-wymarowej przestrzen. Wówczas mamy do czynena z płaszczyznam lub hperpłaszczyznam rozdzelającym (rozpoznającym) stany. Zdanem autora stosowane metrycznych metod rozpoznawana jest znaczne wygodnejsze. Interpretacja matematyczna jest prosta, a możlwość bezpośrednego przejśca od mary odległośc do prawdopodobeństwa występowana w danym obece uszodzena pozwala na beżące formułowane onretnych wnosów dagnostycznych. Zastosowane metrycznej metody rozpoznawana opartej o pomar odległośc od wzorca może stanowć bardzo dobre narzędze wspomagające dagnostę. Metoda ta daje możlwość somputeryzowana procesu wnosowana. Wówczas po wprowadzenu wartośc parametrów dagnostycznych zmerzonych w danym momence esploatacj slna, może być utworzony wetor stanu wyonane poszuwane odległośc mnmalnej mędzy wetorem stanu a wetoram uszodzeń. Na tej podstawe podawane byłoby prawdopodobeństwo występowana danego uszodzena. PRZYKŁD KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA DIAGNOSTYKI Możlwość wyorzystana do omputerowego wspomagana dagnosty wsazanej metody opartej o pomar odległośc od wzorca omówona zostane na przyładze wynów badań własnych. Obetem badań był orętowy sln o zapłone samoczynnym SULZER AL5/30. Przyjęto, że: badana wyonane będą w oparcu o esperyment czynny, uszodzena będą symulowane w uładze wtrysowym, wybrane uszodzena w uładze wtrysowym będą symulowane w ta sposób, aby możlwe werne odwzorowane były rzeczywste uszodzena występujące podczas esploatacj slna, badana zostaną przeprowadzone w szerom zarese obcążena slna dla slna technczne sprawnego, a następne z symulowanym uszodzenam, rejestrowany będze masymalne lczny zestaw parametrów, z tórego wyselecjonowane zostaną parametry dagnostyczne wyorzystane w omputerowej metodze wspomagana dagnozowana. W uładze wtrysowym symulowano następujące uszodzena: spade cśnena otwarca wtryswacza, neszczelność pary precyzyjnej pompy wtrysowej, zużyce otworów rozpylacza, zaosowane otworów rozpylacza. Uzysane w esperymence dane pozwolły zmnmalzować lczność parametrów dagnostycznych w oparcu o: oblczoną wrażlwość ażdego z nch na zmanę stanu techncznego slna, statystyczną analzę wynów pomarów. Ostateczne do dagnozowana uładu wtrysowego wybrano następujące parametry: masymalne cśnene spalana, masymalne cśnene wtrysu palwa, średne cśnene ndyowane, cśnene powetrza ładującego, temperaturę gazów za cylndrem. 00

6 Na podstawe uzysanych danych esperymentalnych możlwe było zbudowane tablc (macerzy) dagnostycznych - FIS (Fault Isolaton System), tórych przyłady poazano w tabel.w tabel użyto następujących oznaczeń: a) w odnesenu do parametrów dagnostycznych S: s cśnene powetrza ładującego, s temperatura gazów za cylndrem, s 3 masymalne cśnene spalana, s 4 średne cśnene ndyowane, s 5 masymalne cśnene wtrysu palwa, b) w odnesenu do symulowanych uszodzeń F: f spade cśnena otwarca wtryswacza, f neszczelność pary precyzyjnej pompy wtrysowej, f 3 zużyce otworów rozpylacza, f 4 zaosowane otworów rozpylacza. Przyjęce trójwartoścowej oceny resduów pozwala rozróżnć wszyste uszodzena. Poszczególne parametry dagnostyczne (S) otrzymały w nej umowne znaczena +, 0 lub, w zależnośc od reacj danego parametru na występujące uszodzene. Jeżel wartość S rośne w stosunu do wzorcowej to otrzymuje znaczene (+); jeżel spada w stosunu do wzorcowej to znaczene (-), a w przypadu zbyt słabej reacj wzrost lub spade wartośc S ne przeracza przedzału neczułośc to otrzymuje umowne znaczene (0). Wyorzystując zbudowaną tablcę FIS powstała welowymarowa przestrzen objawów uszodzeń, do tórej wprowadza sę na podstawe doonanych na beżąco pomarów wetor stanu. Zgodne z omówoną wcześnej metodą rozpoznawana wylczany jest współczynn, czyl prawdopodobeństwo wystąpena danego uszodzena. Dzałana te można realzować omputerowo w oparcu o algorytm, tórego uproszczony schemat poazano na rysunu. Tab.. Przyład FIS uładu wtrysowego slna orętowego (źródło: opracowane własne) S/F f f f 3 f 4 s s s s s Rys.. Schemat bloowy algorytmu dagnostycznego (źródło: opracowane własne) 0

7 WNIOSKI Przedstawona w nnejszym referace możlwość wyorzystana do budowy algorytmów programów dagnostycznych teor rozpoznawana obrazów do dagnozowana slnów orętowych zdaje sę być bardzo środem wygodnym pewnym. Uzysuje sę ne tylo nformację o potencjalnym uszodzenu, ale taże prawdopodobeństwe jego wystąpena, poprzez wylczaną wartość współczynna. Jest jedna możlwa sytuacja, gdy la dagnoz uzysa podobne wartośc. Sytuacja taa oznacza pewną bezradność programu dagnostycznego. Jest to możlwe szczególne, gdy sln pracuje z uszodzenem ne mającym odwzorowana w przestrzen objawów (uszodzene dotychczas ne rozpoznane). Ne można równeż autorytatywne stwerdzć, że gdyby rozszerzyć zares dagnozowana o olejne uszodzena, dotychczas nerozważane, pozostawając bez zman lczbę sygnałów (parametrów) dagnostycznych S(s, s,., s n ), czy wszyste uszodzena F(f, f,., f n ) mogłyby być rozróżnalne. Wówczas należałoby zwęszyć zestaw sygnałów dagnostycznych. Doonane właścwego wyboru parametrów dagnostycznych jest jednym z stotnejszych czynnów decydujących o poprawnośc dzałana opracowanych algorytmów dagnostycznych. W odnesenu do obetów technczne złożonych, o możlwej dużej lczbe parametrów dagnostycznych znaczene ma równeż mnmalzacja użytego w dagnostyce zestawu parametrów dagnostycznych, ta przeprowadzona, aby algorytm dagnostyczny był relatywne prosty ale dobrze rozpoznawał uszodzena. Zastosowane trójwartoścowej oceny resduów w przypadu omawanej dagnosty uładu wtrysowego orętowego slna orętowego daje bardzo dobre rezultaty dobrą rozróżnalność uszodzeń. Streszczene W referace przedstawono przyład omputerowego wspomagana dagnozowana orętowych slnów tłoowych w oparcu o algorytm zbudowany z wyorzystanem teor rozpoznawana obrazów. Porównano dwe wybrane metody rozpoznawana, wyberając metodę metryczną. Zadane dagnostyczne rozwązano z wyorzystanem welowymarowej, geometrycznej przestrzen rachunu wetorowego. Posłużono sę dagnozowanem na podstawe oblczana odległośc od wetora stanu do wetorów dagnoz, czyl badanem odległośc od wzorca. Suteczność zastosowanej metody wyazano na przyładze dagnosty uładu wtrysowego czterosuwowego, średnoobrotowego slna orętowego, na tórym wyonano odpowedne badana z wyorzystanem esperymentu czynnego. Symulowano wybrane uszodzena w uładze wtrysowym. Wybrano zestaw parametrów dagnostycznych opsujących n-wymarową przestrzeń oraz wprowadzć do nej szereg wetorów wzorców (dagnoz). Wzorce są reprezentowane w postac bnarnej tablcy (macerzy) dagnostycznej. Algorytm, na podstawe oblczanego współczynna rozpoznawana, oreśla prawdopodobeństwo wystąpena danego uszodzena, czyl dagnoza jest automatyczna, a jej trafność oreśla oblczone prawdopodobeństwo. The possblty of computer-aded dagnoss of pston engnes used n martme transport Abstract The paper presents an example of computer-aded the dagnoss of marne pston engnes based on the algorthm bult usng the theory of pattern recognton. We compared the two selected methods for detectng, selectng the method of metrc. Dagnostc tas was solved usng a mult-dmensonal geometrc space and vector calculus.were used for dagnoss on the bass of calculatng the dstance between vector of the state to the dagnoss vectors, e, research the dstance from the test pattern. The effectveness of the method was demonstrated on the example of the njecton system dagnostcs marne four-stroe engne, on whch made adequate research usng an actve experment. The selected damages were smulated n the njecton system. Selected set of dagnostc parameters descrbng the n- dmensonal space, and ntroduce a seres of vectors patterns (dagnoses).patterns are represented n bnary table (matrx) dagnostc. The algorthm, based on the calculated coeffcent of recognton, determnes the 0

8 probablty of the damage. Dagnoss s automatc and ts accuracy determnes the calculated probablty. BIBLIOGRAFIA. Ajzerman M. nn, Rozpoznawane obrazów metodą funcj potencjalnych. WNT, Warszawa 976. (). Brger I., Technczesaja dagnostya. Izd. Masznostrojenje, Moswa 978.(3) 3. Korbcz J., Metody rozpoznawana obrazów w dagnostyce procesów przemysłowych. III KKNT Dagnostya Procesów Przemysłowych, Jurata, 998.(45) 4. Koścelny J.M., Dagnostya zautomatyzowanych procesów przemysłowych. Aademca Ofcyna Wydawncza EXIT, Warszawa, 00.(49) 5. Kurzyńs M., Rozpoznawane obrazów. Metody statystyczne. Ofcyna Wydawncza Poltechn Wrocławsej, Wrocław, 997.(57) 6. Pau L.F., Falure dagnoss and performance montorng. Marcel Derrer, New Yor, 98.(74) 7. Ton J., Gonzales R., Pattern recognton prncples, Addson Wesly Publshng Company, Readng 974.(08) 8. Wtows, K., Włodars, J.,K., Zastosowane metody rozpoznawana obrazów w dagnozowanu slnów orętowych. Zagadnena Esploatacj Maszyn, wartaln PAN, 4/99.(0) 03