Введение к работе
;
ЦОЬО
Актуальность проблемы. С появлением быстродействующих цифровых процессоров и персональных ЭВМ большой мощности широкое распространение в различных областях деятельности получили алгоритмы прикладного спектрального анализа Возможность реализовать существующие вычислительные алгоритмы спектрального анализа на современной элементной базе и производить оперативную оценку выборочного спектра позволило автоматизировать многие операции, выполняемые ранее только человеком.
Одним из таких приложений является вибродиагностика механических систем. С тех пор, как на земле появились достаточно сложные механизмы, появилась и необходимость следить за их техническим состоянием, выявлять и устранять неисправности. Опытный механик научился ставить диагноз на слух. Человек, вооруженный опытом работы с механизмом и проявлением его неисправностей в звуковом поле, обладающий также измерительной и анализирующей системами, каковыми являются его ухо и мозг, стал прообразом системы вибродиагностики. Логическим продолжением стало желание человека заменить систему «органы чувств (слух) - мозг человека» на систему «датчики виброакустического сигнала - электронно-вычислительная машина (ЭВМ), оснащенная соответствующим программным обеспечением». Анализ зарегистрированных посредством системы датчиков временных записей виброакустического сигнала (далее просто вибросигнала) удобно, при этом, проводить в частотной области. Что обусловлено их сложной временной формой, содержащей вклады вибрации различных узлов механической системы и шумы. Возникла потребность в вычислительных алгоритмах спектрального анализа экспериментальных записей вибросигналов. Появились автоматизированные системы вибродиагностики механических систем. Особенностью вибродиагностики механических систем является возможность осуществлять безразборный контроль технического состояния агрегатов и проводить техническое обслуживание «по состоянию», что существенно сокращает расходы на проведение технического обслуживания.
Вопросам вибродиагностики машин и механизмов посвящены работы д.т.н. Генкина М.Д., д т.н. Доронина ВА., д.т.н. Явленского К.Н. и др.
Другим важным приложением методов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов является диагностика состояния сердечно-сосудистой системы человека по результатам спектрального анализа записей вариабельности сердечного ритма. Медицинскими исследованиями было установлено, что вариабельность сердечного ритма является источником достоверной информации о состоянии сердечно-сосудистой системы человека, а результаты спектрального анализа записей вариабельности сердечного ритма могут быть использованы как индикатор для прогноза возможности наступления внезапной смерти у лиц, перенесших инфаркт миокарда. Для использования анализа записей вариабельности сердечного ритма разработаны и широко используются специальные автоматизированные технические средства, называемые программно-аппаратными комплексами мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы человека. Данные системы, ф у н к ц и C^JtKjfCtPjQ.tfiAMIlWiWtb1 и т е л ь -
" і *
ной машиной, обеспечивают регистрацию, как электрокардиографического сигнала, так и записей вариабельности сердечного ритма. Среди исследователей, занимающихся изучением вариабельности сердечного ритма, следует особо выделить коллективы проф. Баевского P.M., проф. Астахова А.А., проф. Хаютина В.М., проф. Флейшмана А.Н., проф. Миронову Т.Ф., проф. А. Малиани.
Вместе с тем существуют объективные факторы, способные существенно исказить результаты оценки выборочного спектра экспериментальных записей колебательных процессов и ввести в заблуждение исследователя:
использование для оценки выборочного спектра экспериментальных записей колебательных процессов в практических приложениях вычислительных алгоритмов, разработанных для достаточно широкого класса случайных процессов, без учета присущих конкретным типам записей особенностей и соответствующего выбора параметров вычислительных алгоритмов;
нарушение условия стационарности исходных экспериментальных записей колебательных процессов;
наличие на экспериментальных записях нерегулярных участков (артефактов), связанных с особенностями функционирования объекта исследования.
Таким образом, при проведении спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов возникают неконтролируемые ошибки вычисления выборочного спектра. Их наличие приводит к принятию неверного решения по результатам спектрального анализа. Примером информационных систем, критичных к таким ошибкам, являются системы автоматизированной вибродиагностики технического состояния механических систем и аппаратно-программные комплексы диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека. Неверное решение относительно формы выборочного спектра и значений, связанных с ним числовых показателей, приведет в рассмотренных случаях к пропуску неисправности и выходу механизма из строя, либо к несвоевременному оказанию медицинской помощи и смерти пациента. Оптимальным для данных систем является решение, которое наиболее точно характеризует истинное состояние объекта исследования. Для его достижения необходимо таким образом подобрать параметры алгоритмов спектрального анализа, чтобы ошибка вычисления выборочного спектра экспериментальных записей колебательных процессов и связанных с ним числовых показателей была минимальна. Адаптированные указанным способом алгоритмы можно считать «оптимальными» с точки зрения качества оценки истинного состояния объекта исследования.
Неконтролируемые ошибки, возникающие в силу перечисленных выше причин при спектральном анализе экспериментальных записей колебательных процессов, не дают возможности провести оптимизацию параметров вычислительных алгоритмов спектрального анализа с помощью теории статистических решений. Методы теории статистических решений не могут быть использованы для оптимизации алгоритмов спектрального анализа в таких приложениях, как вибродиагностика механических систем из-за априорной неопределенности относительно вероятностного распределения ошибок и записей колебательных
процессов, а также из-за невозможности регистрации обучающих выборок экспериментальных данных.
Вместе с тем, для исследования ошибок вычисления выборочного спектра целого ряда экспериментальных записей колебательных процессов очень сложно применить стандартные статистические процедуры анализа.- К таким приложениям относится вибродиагностика механических систем (самолетов, судов, энергетических установок и т.д.). Особенностью подобных задач является невозможность экспериментальным путем получить статистически значимое количество записей данных регистрации. Причины в каждом конкретном случае свои.
Поэтому актуальной и важной является задача разработки специальной методики оптимизации алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов в условиях невозможности получения больших массивов однородных экспериментальных данных и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры.
Целью диссертационной работы является разработка методики оптимизации алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов автоматизированных комплексов диагностики сложных систем в условиях невозможности получения больших массивов однородных записей экспериментальных данных и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры.
Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:
Разработана методика оптимального выбора параметров алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов в условиях невозможности получения больших массивов однородных экспериментальных записей и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры на основе генерации массива реализаций случайного процесса, статистически эквивалентного экспериментальным данным.
Разработана математическая модель экспериментальных записей колебательных процессов в виде суммы нескольких узкополосных гауссовских случайных процессов, сосредоточенных на характерных частотах, позволяющая генерировать массивы однородных реализаций случайного процесса, статистически эквивалентных экспериментальным данным.
Разработана методика цифрового моделирования экспериментальных записей колебательных процессов на основе разработанной математической модели.
Исследовано поведение ошибок вычисления выборочного спектра экспериментальных записей колебательных процессов автоматизированных комплексов вибродиагностики механических систем и программно-аппаратных комплексов диагностики состояния организма человека по вариабельности сердечного ритма в условиях невозможности получения больших массивов однородных записей экспериментальных данных и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры.
Исследован вклад нерегулярных волн (артефактов) на экспериментальных записях колебательных процессов в ошибку вычисления выборочного спектра экспериментальных данных типовыми вычислительными алгоритмами
спектрального анализа в автоматизированных комплексах вибродиагностики механических систем и программно-аппаратных комплексах диагностики состояния организма человека по вариабельности сердечного ритма.
Методы исследования. Теоретические исследования и моделирование на ЭВМ базируются на использовании методов системного анализа, теории случайных процессов, методов статистического анализа случайных процессов, теории сигналов.
Научная значимость работы состоит в разработке методики оптимизации алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов в условиях невозможности получения больших массивов однородных экспериментальных записей и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры на основе генерации массива реализаций случайного процесса, статистически эквивалентного экспериментальным данным.
Научная новизна диссертации заключается:
В обосновании возможности применения эталонного массива реализаций случайного процесса, статистически эквивалентного экспериментальным записям колебательных процессов, для оптимизации алгоритмов спектрального анализа в условиях невозможности получения больших массивов однородных экспериментальных данных и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры.
В разработке математической модели экспериментальных записей колебательных процессов сложных систем в виде суммы нескольких узкополосных гауссовских случайных процессов, сосредоточенных на характерных частотах, со статистически эквивалентными экспериментальным записям структурой и характеристиками.
В оптимизации параметров алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов сложных систем в условиях невозможности получения больших массивов однородных экспериментальных данных и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры..
В исследовании степени влияния нерегулярных волн (артефактов), а также величины соотношения сигнал/шум на точность оценок выборочного спектра экспериментальных записей колебательных процессов в задаче вибродиагностики механических систем и в задаче диагностики состояния организма человека.
Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по выбору оптимальных параметров алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательньж процессов, используемых в автоматизированных комплексах вибродиагностики механических систем, а также в программно-аппаратных комплексах мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы человека, для минимизации ошибок вычисления основных числовьж показателей выборочного спектра экспериментальных записей колебательньж процессов.
Разработанная в диссертации методика оптимизации алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательньж процессов по-
зволяет исследовать влияние на результаты спектрального анализа различных мешающих факторов, таких как величина соотношения сигнал/шум, наличие на экспериментальных записях нерегулярных волн, учитывать возникающие погрешности при интерпретации результатов спектрального анализа.
Математические модели, алгоритмы, программы, а также методика оптимизации алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов могут быть использованы для исследования возможности организации безразборной диагностики двигателей, турбин и т.д..
Внедрение и практическое использование результатов. Научные результаты диссертационного исследования внедрены на ФГУП 712 авиационный ремонтный завод министерства обороны Российской федерации («712АРЗ» МО РФ) (г. Челябинск), в ОАО «Производственное объединение Алтайский моторный завод» (ОАО «ПО АМЗ») (г. Барнаул), в фирме «Микролюкс» (г. Челябинск), НИИ радиоэлектронных систем Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск), кафедре «Реаниматологии и анестезиологии» Уральской государственной медицинской академии дополнительного образования при создании программ компьютерного мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы человека, а также в научно-исследовательских работах НИИ цифровых систем Южно-Уральского государственного университета.
Аппробания работы. Результаты диссертационного исследования изложены в пяти отчетах по НИР НИИ радиоэлектронных систем Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) за 1999-2003 гг., выполненных в соответствии с научно-технической программой Министерства образования Российской Федерации "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники". А также докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ЮУрГУ (г. Челябинск, 1999 - 2003), на международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2000, 2002), на международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии в медицине и биологии» (г. Новочеркасск, 2001), на всероссийском симпозиуме «Колебательные процессы гемодинамики. Пульсация и флюктуация сердечно-сосудистой системы» (г. Миасс, 2000; г. Челябинск, 2002, 2004), на всероссийском симпозиуме с международным участием «Медленные колебательные процессы в организме человека. Теоретические и прикладные аспекты нелинейной динамики в физиологии» (г. Новокузнецк, 2001),.
Публикации. Основные положения и результаты работы отражены в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, содержащего основные выводы и результаты исследования, списка литературы на 101 наименование, а также шести приложений. Общий объем 180 страниц, из них основного текста 140, 11 таблиц, 45 рисунков и 24 страницы приложений.
На защиту выносятся: 1. Методика оптимизации алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей колебательных процессов в условиях невозможности получения
больших массивов однородных записей экспериментальных данных и в условиях априорной неопределенности относительно их статистической структуры на основе генерации массива реализаций случайного процесса, статистически эквивалентного экспериментальным записям.
Математическая модель экспериментальных записей колебательных процессов сложных систем в виде суммы нескольких узкополосных гауссовских случайных процессов, сосредоточенных на характерных частотах, позволяющая генерировать массивы однородных реализаций случайного процесса, статистически эквивалентных экспериментальным данным.
Рекомендации по выбору оптимальных параметров вычислительных алгоритмов спектрального анализа записей вибросигнала, используемых в автоматизированных комплексах вибродиагностики механических систем.
Результаты исследования влияния на точность спектрального анализа экспериментальных записей вибросигнала величины соотношения сигнал/шум, и рекомендации по уменьшению их влияния.
Рекомендации по выбору оптимальных параметров вычислительных алгоритмов спектрального анализа экспериментальных записей вариабельности сердечного ритма, используемых в программно-аппаратных комплексах мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы человека.
Результаты исследования влияния на точность спектрального анализа экспериментальных записей вариабельности сердечного ритма наличия на исследуемых записях нерегулярных волн, связанных с непроизвольными глотательными движениями, и рекомендации по уменьшению их влияния.
Похожие диссертации на Оптимизация алгоритмов спектрального анализа колебательных процессов на основе генерации эталонного массива их реализаций
