Содержание к диссертации
Введение * 6
Основные положения,выносимые на защиту 19
ГМВА I. Анализ современного состояния, тенденций
развития ГИИС и методов их испытаний при произ-
21
водстве и эксплуатации **
-
Анализ современного состояния и тенденций развития ГИИС 2I
-
Анализ геофизических систем как объектов испытаний 34
-
Анализ существующих методов автоматизации измерений параметров ГИИС
-
Постановка задач для разработки и иссле-
дований w
Выводы 66
ГМВА 2. Уплотнение измерительной информации и оцен
ка искажений сигналов при испытаниях ЇВДС на вход
ных воздействиях, имитирующих геофизические сигналы б9
2.1 Модификация метода главных компонент для уплотнения массивов измерительной информации в АСИ ГИИС ...7^
2.2. Методы оценки искажений сигналов в ГИИС по из
мерительной информации, предварительно уплотненной мето
дом главных компонент 8
2.3. Математическая модель измерительных каналов
ГИИС ....90
2.4. Методы оценки искажений сигналов в ГИИС с по
мощью критерия среднеквадратичного отклонения ........94
Выводы . .....,....,........ І04
ГЛАВА 3. Метода определения нормируемых параметров
измерительных каналов ГЙИС при автоматизированных
испытаниях на тестовых периодических сигналах *06
3.1. Метод оценки фазовой неидентичности кана-
107
лов тракта регистрации ГЙИС
-
Метод оценки амплитудно-частотной характеристики каналов тракта регистрации ГЙИС ........... **2
-
Метод оценки параметров аналого-цифровых преобразователей ГЙИС в полевых условиях ^^
-
Методика статистической обработки измерительной информации при испытании ГИИС на детер-
118
минированном тестовом сигнале
Выводы І23
ГЛАВА 4. Принципы построения АСИ ГЙИС. Автоматизированная система управления технологическим процессом
испытаний цифровых сеисморазведочных станций "Прогресс"... *^5
4.1 Основные принципы построения АСИ ГИИС ........... 125
4.2; Автоматизированная система управления тех
нологическим процессом испытаний цифровых сеисмо
разведочных станций "Прогресс" *35
Описание аппаратурного обеспечения .................. *41
Описание программного обеспечения *49
Информационное обеспечение .......................... *^0
Организационное обеспечение *51
4.3. Результаты внедрения и эксплуатации АСУ ТП -
испытаний *52
Выводы 156
Предполагаемое продолжение работы ...... ... 157
Заключение 158
Литература .... 161
Приложение I, Распечатка протокола приемосдаточных
испытаний ЦОС "Прогресс'5 в АСУ ТП 171
Приложение 2. Алгоритмы программного обеспечения
АСУ ТП испытаний ЦСС "Прогресс" IQ2
Приложение 3. Распечатка контрольного примера уплот
нения измерительной информации с помощью разработан
ного алгоритма МГК 204
Приложение 4. Распечатка результатов моделирования
зависимости КСО от параметров каналов ГИИС 206
щилошие 5. Акты Знедрения %07
- 5 -Принятые сокращения
АСИ 3 автоматизированная система испытаний;
АСУ ТП - автоматизированная система управления технологичес
ким процессом;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
ЕШ& - быстрое преобразование Фурье;
ІИИС - геофизическая информационно-измерительная система;
ГГС - генератор тестовых сигналов;
ИИС - информационно-измерительная система;
ИО - информационное обеспечение;
Ш - измерительное устройство;
КСО - критерий среднеквадратичного отклонения;
МПС - метод главных компонент;
МССД - многоканальная система сбора данных;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;
УКИ - унифицированный комплекс для испытаний;
ЦСС - цифровая сейсморазведочная станция;
ФЧХ - фазо-частотная характеристика.
Введение к работе
Низкочастотные многоканальные информационно-измерительные системы, позволяющие обрабатывать в реальном масштабе времени многомерные массивы измерительной информации, получают все большее распространение в гидроакустике, фотометрии, при изучении виброустойчивости различных объектов. Наибольшее развитие и распространение такие системы имеют в геофизике, в частности в сейсморазведке нефтегазоносных месторождений, получив название геофизических информационно-измерительных систем (ГИШ). Типичными представителями ГЙИС являются цифровые сейсморазведочные системы (ЦСС) нового поколения, о необходимости производства которых указано в решениях ХХУІ съезда КПСС и в соответствующей межотраслевой комплексной научно-технической программе [і, 2~\ .
В состав таких систем (рис. 0.1, 0,2) входят десятки и сотни измерительных каналов, содержащих первичные и вторичные измерительные преобразователи и цифровые устройства для обработки и регистрации измерительной информации. При этом цифровые устройства, как правило, являются общими для всех каналов [З, 4] .
Сейсморазведочные ГИИС монтируются в салонах автомобилей и предназначены для измерений параметров многомерных геофизических полей. Процесс измерения состоит из первичного измерительного преобразования с помощью сейсмодатчиков, усиления с фильтрацией электрических сигналов и их регистрации в виде массивов мгновенных значений на магнитные носители с целью дальнейшей обработки измерительной информации на SEBBI. Для получения сейсмических полей в земной коре используются невзрывные (импульс; >п* или вибрационные ) и взрывные источники Ґ42І . В последнем случае,
ТРАКТ РЕГИСТРАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Рис* 0*1. Обобщенная блок-схема ГИИС: ПИП - первичный измерительный преобразователь, ШЇЇ-вторичный измерительный преобразователь,КК-коммутатор каналов, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, УПОИ - устройств преобразования и обработки информации, РИ - регистратор информации, 7Ш - устройство воспроизведения информации, УЕГП -устройство возбуздения геофизических полей, ШИ - шина информации, Ш - шина управления* «их—>
Фильтр
ЖЫС01 частот
Режекторннй фильтр
Фильтр низких частот
Общий усилитель G МГ-НОВвННОЙ АРУ -, АЦП
Формирователь массивов информации магнитный регистратор
Выходная -^ ияфаршщая
Встроенная макро-ЭШ
Коррллятор
Накопитель слабых сигналов
Рис.0,2. Блок-схема измерительного канала геофизической информационно-измерительной системы. особенно при исследовании больших глубин земной коры с помощью мощных взрывов или естественных землетрясение, геофизический эксперимент становится однократным и нередко уникальным процессом. В этих условиях резко повышаются требования к степени готовности сейсморазведочной ШИС регистрировать геофизические сигналы с минимальными искажениями. Оптимальным направлением снижения потерь геофизической информации является оценка возможных искажений сигналов в измерительных каналах тракта регистрации ШИС в полевых условиях непосредственно перед экспериментом. Однако сами по себе испытания ШИС с целью определения нормируемых параметров измерительных каналов тракта регистрации даже в производственных условиях являются длительным и трудоемким процессом. Например, для испытания 48 канальной сейсморазведочной ГИИС с помощью обычных измерительных приборов необходимо 7-8 рабочих дней fl02] . С учетом того, что число измерительных каналов в современных ГИИС достигает 200-500, при этом для каждого канала нормируется до 20 параметров, актуальным является вопрос об автоматизации процесса испытаний таких систем Гз] .
Созданные в СССР и США. автоматизированные системы испытаний (АСИ) сейсморазведочных ІМС позволили в значительной степени снизить трудоемкость контрольно-измерительных операций j_I00J . Однако эти АСИ построены на основе стационарных мощных и универсальных ЭШ и не обеспечивают оперативности при испытаниях ГИИС, отдаленных от вычислительных центров. Кроме того, математическое обеспечение известных АСИ не обеспечивает требуемой погрешности измерения нормируемых рараметров ГИИС при проведении приемо-сдаточных испытаний на заводе-изготовителе.
Шрокое применение в составе ГИИС встроенных микро-ЭШ создало принципиальные предпосылки до создания АСИ на их основе, в том числе для проведения автоматизированных испытаний ГИИС непосредственно в полевых условиях [а] V Однако обычный перевод программного обеспечения стационарных ЭВМ из состава АСИ на языки встроенной микро-ЭШ является неэффективным, так как объемы измерительной информации при испытаниях ГИИС составляют от 0,5 до 10 мегабайт, в то время как объем оперативной памяти серийно выпускаемых микро-ЭШ, как правило, не превышает 64 килобайт. Поэтому только для целей автоматизации испытаний понадобилось бы вводить в состав ГИИС дополнительные мощные полупроводниковые или дисковые устройства памяти.
Решением данной проблемы является создание нового класса АСИ на базе встроенной в ГИИС микро-ЭШ и разработка для них программного обеспечения, позволящего решать задачи обработки измерительной информации в реальном масштабе времени как в полевых, так и в стационарных условиях испытаний.
В качестве первого этапа на пути частичного решения этой проблемы в диссертационной работе был проведен анализ научно-технической литературы, посвященной исследованиям различных аспектов оценки искажений сигналов в информационно-измерительных системах. Известные работы могут быть классифицированы на следующие группы. Первая из них направлена на исследование вопросов нормирования инструментальной погрешности информационно-измерительных систем. Среди наиболее значительных работ этой группы можно назвать монографии В.Я.Розенберга [7J , П.Эйкхоффа Гб] , В.Н.Малиновского [sj , В.М.ІШшндина /ioj , - II -
П. В. Новицкого fl\ , М.Л.Цапенко іб] ; публикации М.Крауза и Э.Вошни b] , Г.И.Кавалерова и С.М.Мандельштама [l3J , Б.И.Швец-кого fllj , И.Я.Каверина и Э.й.Цввткова /17] , А.Ф.Котюка Гб8, 69] , Г.Я.Мирского |l4j . Применительно к данной диссертации необходимо выделить из работ монографию Н.А.]$гбичева /V/, в которой исследуется подход к оценке искажений непрерывных сигналов в радиотехнических системах на основе критерия среднеквадратичного отклонения. Анализ методов испытаний ИИС проводится в перечисленных работах, а также в публикациях Р.Камер-форда /84] .
Системному анализу методов построения и функционирования автоматизированных систем контроля и испытаний радиоэлектронной аппаратуры посвящены работы второй группы: В.А.Долгова [34] , И.Ф.Клисторина и А.Е.Подзина /Зб],. В.М.Разумного [51, 89], Ю.Д.Сверкунова [52], А.С.Касаткина [88], П.Й.Кузнецова /J90], Э.1.Ицковича [91], К.Б.Карандеева /94], И.Г.Кальмана [85]. Анализ методических погрешностей ГИИС проведен в монографии М.К.Пашкова [40].
Методы и средства автоматизации испытаний отдельных узлов информационно-измерительных систем рассмотрены в работах третьей группы: Г.Д.Бахтиарова /20), В.В.Островерхова [2lJ, В.Б.Смолова [ю] , Э.И.Гитиса и Е.А.Шскулова /27J, У.Берни [зі}, В.В.Смелякова [зз] , О.Д.1алаховой J28J, Т.П.Смирнова /2б].
Анализ методов уплотнения и цифровой обработки информации v проведен в монографиях У.Црэтта [7(0, К.Иберла [7l], А.Н.Дуброва [74], М.Б.Рапшіорта [4l], работах Козлова Е.А. /Із], Г.Хотеллинга [79], составляющих четвертую группу работ.
Однако,несмотря на большое число публикаций по различным аспектам испытаний информационно-измерительных систем, до начала работы соискателя по данной теме не были решены основные научные и методические вопросы автоматизации испытаний передвижных аналого-цифровых комплексов такого рода, как ГЙИС. В частности, отсутствовали оптимальные методы оценки искажений тестовых сигналов и импульсов, имитирующих реальные сейсмические воздействия, возникающих в тракте регистрации ГИИС, включая цифровые и редЖЕрирующие устройства, при обработке измерительной информации в реальном масштабе времени. Не исследованы также теоретические и методические основы уплотнения и статистической обработки измерительной информации в реальном масштабе времени при испытаниях БШС в полевых и производственных условиях с использованием встроенных микро-ЭВМ при оптимизации аппаратурных затрат. Это объясняется прежде всего тем, что перечисленные исследования проводились не с единых теоретических позиций, учитывающих влияние на инструментальную погрешность измерительных каналов ГЙИС искажений информации ж случайных сбоев в цифровых и регистрирующих устройствах. Кроме того, при анализе методов автоматизации испытаний информационно-измерительных систем в известных работах не учитывались требования к минимизации аппаратурного обеспечения, что является важным условием организации испытаний ГЙИС в полевых условиях с помощью встроенных микро-ЭВМ.
Целью диссертационной работы является создание математического, программного и аппаратурного обеспечения единой для для производства и эксплуатации автоматизированной системы - ІЗ - испытаний ГИИС^при обработке измерительной информации в реальном масштабе времени с помощью встроенных микро-ЭВМ.
Настоящая работа в своей теоретической части является естественным продолжением отмеченных ранее работ. Перечисленные работы позволили поставить и решить основные теоретические и методические вопросы, связанные с созданием автоматизированных систем испытаний ГЙЙС в, процессе разработки, производства и эксплуатации.
Значительная часть приводимых в дальнейшем результатов публиковалась соискателем в периодических изданиях /98+109], некоторые результаты исследований приводятся впервые. При этом основное внимание было уделено решению следующих научно-технических задач:
Теоретические: исследование процесса уплотнения и статистической обработки измерительной информации в реальном масштабе времени при автоматизированных испытаниях ІЖС на имитирующих и тестовых входных воздействиях; анализ и исследование критериев оценки искажений сигналов в измерительных каналах ГИИС, в том числе в цифровых обра- с батывающих и регитрирующих устройствах, по измерительной информации, предварительно уплотненной методом главных компонент. - разработка математической модели измерительного канала ГИИС.
Методические: - разработка методики уплотнения и статистической обработки в реальном масштабе времени измерительной информации при испыта- ниях ГЙЙС на периодических тестовых сигналах; разработка методик автоматизации оценки нормируемых параметров АЦП, а также амплитудно-фазо-частотных характеристик усилителей ГИИС, при помощи микро-ЭШ с ограниченным объемом памяти в условиях производства и эксплуатации; разработка методик диагностирования искажений измерительной информации в цифровых и регистрирующих устройствах ГИИС с помощью аналоговых тестовых сигналов.
Аппаратурные: разработка общих принципов построения и функционирования АСИ ГИИС; разработка методического, математического, программного и аппаратурного обеспечения АСУ ТП стендовых испытаний ЦСС ряда "Прогресс". фи этом использовались аналитические методы теоретических исследований с привлечением математического аппарата теории математической статистики и случайных процессов, матричного анализа, спектрального анализа и цифровой обработки сигналов с применением моделирования на ЭВМ.
Содержание работы изложено во введении, четырех главах, выводах, заключении и приложениях.
В первой главе: - проведен анализ современного состояния и тенденций разви тия ГИИС, из которого следует, что в настоящее время в различных отраслях геофизического приборостроения наблюдается интенсивное внедрение геофизических информационно-измерительных систем с широким использованием микропроцессорных комплектов и микро-ЭШ,
Во второй главе изложены результаты аналитических исследований, проведенных соискателем, в частности: исследованы принципы уплотнения измерительной информации методом главных компонент в реальном масштабе времени с помощью микро-ЭШ, обоснована связь между главными компонентами и функцией потерь, используемой для оценки искажений сигналов с помощью критерия среднеквадратичного отклонения, исследованы условия адаптивности алгоритма вычисления главных компонент по отношению к динамическому диапазону мгновенных значений входных сигналов; разработана математическая модель идеализированного и реального измерительных каналов ГИИС с учетом искажений сигналов, вносимых цифровыми и регистрирующими устройствами; предложены методы использования и нормирования с применением моделирования на ЪЩ модифицированного критерия среднеквадратичного отклонения, позволяющие проводить оценку искажений сигналов комбинированных аналого-цифровых измерительных каналах ГИИС при испытании на аналоговых входных воздействиях, а также обеспечивающих выявление искажений измерительной информации, вызванных сбоями в цифровых обрабатывающих и регистрирующих устройствах. исследованы методы оценки искажений сигналов в измерительных каналах ГИИС по измерительной информации, предварительно уплотненной методом главных компонент.
В третьей главе предложены методы автоматизации оценки и диагностирования искажений сигналов и определения нормируемых параметров ГИИС в полевых и производственных условиях, применяемых для целей управления, обработки информации и контроля параметров систем в процессе геофизического эксперимента; проведен анализ методов уплотнения и статистической обработки измерительной информации при испытаниях ГЙИС, в качестве наиболее целесообразного предложено принять для дальнейшего исследования один из вариантов методов фвкторшш*анализа - метод главных компонент, позволяющий не только сжать информацию с дальнейшим ее восстановлением с достаточной точностью, но и обеспечить Я8У5Щ6| .корреляционных зависимостей междф параметрами каналов ГЙИС; при этом отмечено, что существующие методы вычисления главных компонент неприемлемы при использовании микро-ЭМ и требуют соответствующей модификации для работы в реальном масштабе времени; проведен анализ ГЙИС как объектов испытаний, сформулированы требования к выбору критериев оценки искажений сигналов в измерительных каналах ГЙИС, включая цифровые и регистрирующие устройства, по измерительной информации, предварительно уплотненной методом главных компонент; ' проведен анализ существующих методов автоматизации измерений нормируемых параметров измерительных каналов обычных видов ИЙС в условиях производства и эксплуатации, при этом выявлено, что большинство известных методов испытаний ИЙС неприемлемы для. определения параметров ГЙИС с помощью встроенных микро-ЭйЛ, особенно в полевых условиях; сформулированы требования к построению автоматизированной системы испытаний ГЙИС в процессе производства и эксплуатации. в частности: предложен метод статистической обработки и уплотнения измерительной информации,,полученной при испытании ГИИС на тестовом периодическом сигнале, с использованием встроенных микро-ЭШ или стационарных ЭШ из состава АСИ, удаленной от исследуемого объекта; предложен быстродействующий метод оценки временных соотношений в измерительных каналах тракта регистрации ІИИС, в частности фЧХ, с использованием микро-ЭШ и основанный на максимальном использовании априорных параметров тестового сигнала; предложен адаптивный алгоритм оценки АЧХ измерительных усилителей ВШС, основанный на использовании математической модели объекта исследований, микро-ЭШ и программно-управляемого генератора тестовых сигналов; предложена модификация методов нормирования и оценки параметров аналого-цифрового преобразователя ГИИС, основанных на разложении в ряд ВДьё выходного сигнала АЦП при гармониче-ском сигнале на его входе.
В четвертой главе приведены результаты разработки общих принципов построения автоматизированной системы испытаний ІШС в процессе производства и эксплуатации. Предложено разделить данную систему на функционально законченные подсистемы, состоящие из унифицированных программных и аппаратурных модулей, при этом для каждой подсистемы сформулированы принципы построения и функционирования с учетом оптимизации соотношений между аппаратурным и программным обеспечением.
Описана автоматизированная система управления технологическим процессом стендовых испытаний (АСУ ТП - испытания) цифровых сейсморазведочных систем ряда "Прогресс", внедренной в ПО "Геофизприбор" г.Москва, являющаяся базовой для построения автоматизированных систем испытаний ГЙЙС нового поколения. Рассмотрены назначение, решаемые задачи, результаты внедрения и структура комплекса технических и программных средств данной АСУ ТП lOl]. Проводится анализ блок-схемы измерения параметров тракта регистрации ГЙЙС в АСУ и структурной схемы разработанного цифрового генератора тестовых гармонических сигналов с микропрограммным управлением, мощным выходом и кварцевой стабилизацией частоты.
В приложении I приведены распечатки протоколов АСУ ТП - испытаний серийных цифровых сейсморазведочных систем ряда "Прогресс".
В приложении 2 приведены описания алгоритмов программного обеспечения АСУ ТП - испытаний.
В приложении 3 приведена распечатка контрольного примера обработки измерительной информации в реальном масштабе времени * тяетодом главных компонент с помощью разработанного алгоритма.
В приложении 4 приведена распечатка результатов моделирования зависимости СКО от параметров каналов ГЙЙС.
ОСНОВШЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Разработанный алгоритм обработки информации методом главных компонент, обладающий адаптивными свойствами по отношению к динамическому диапазону мгновенных значений входных сигналов, позволяет проводить в реальном масштабе времени уплотнение массивов измерительной «информации при автоматизированных испытаниях ГИИС с помощью встроенных микро-ЭВМ с ограниченным объемом памяти.
Доказанная однозначная связь между главными компонентами и предложенной модификацией критерия среднеквадратичного отклонения позволяет по измерительной информации, предварительно уплотненной методом главных компонент, и с помощью входных аналоговых воздействий проводить интегральную оценку искажений сигналов в комбинированных аналого-цифровых измерительных каналах ГИИС, включая первичные и вторичные измерительные преобразователи, а также цифровые обрабатывающие и регистрирующие устройства.
3. Экспресс-анализ фазовых сдвигов в измерительных кана лах ГИИС может проводиться по нескольким мгновенным значениям гармонического сигнала (минимум двум в одном периоде) и реали зуется на микро-ЭВМ.
Достижимая минимальная погрешность меньше одного периода квантования входного сигнала по времени.
4. Алгоритм определения АЧХ измерительных усилителей ГИИС, основанный на априорно известной математической модели форми рующих АЧХ активных фильтров и оценке коэффициента усиления из мерительного усилителя на трех или пяти фиксированных частотах гармонического сигнала, обладает адаптивностью к параметрам исследуемого усилителя и реализуется на маломощных микро-ЗВМ.
