Введение к работе
Актуальность работы
В процессе эксплуатации различных технических систем, в том числе и каналов передачи информации - КПИ - большое внимание уделяется проблеме установления текущего состояния (идентификации) контролируемого канала и его прогнозирования на заданный момент времени.
Наиболее полно техническое состояние системы характеризуется взаимно однозначным преобразованием «вход - выход» или, в частом (линейном) случае, амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) или переходной характеристикой. Значения данных параметров определяет качество передачи информации, а результаты их контроля используются для корректировки параметров и планирования технического обслуживания аппаратной части канала.
Изменение технического состояния и связанное с этим изменение параметров КПИ происходит под воздействием различных факторов и процессов (возникновение шумов, помех и технических неисправностей), особенностью которых является их нестационарность и случайность. Поэтому моменты выхода параметров из допустимых границ не могут быть запланированы заранее. Следовательно, для обеспечения надежного бесперебойного функционирования КПИ необходимо вести текущий контроль состояния канала, сводящийся к оценке и прогнозированию возможных изменений его параметров.
В настоящий момент в практике контроля КПИ наблюдение за текущим состоянием канала осуществляется при использовании большого набора стандартных испытательных сигналов, малоинформативных и неудобных при автоматическом контроле, и имеет место косвенный метод контроля текущего состояния системы в целом, так как оценке (идентификации) подлежат частные параметры испытательных сигналов, такие как амплитуда, мощность, спектр, фаза, длительность. При таком методе не всегда удается достоверная и своевременная идентификация текущего состояния системы и не в полной мере выполняются требования по полноте, оперативности и точности контроля.
Поэтому целесообразным является метод непосредственного контроля состояния системы, то есть контроля, при котором оценивались бы характеристики собственно оператора "вход - выход" контролируемой системы как наиболее общей характеристики системы. Но для этого необходимо тестировать систему с использованием специального оптимального испытательного сигнала согласованного с нормальным (штатным) состоянием системы, так как использование такого испытательного сигнала позволит получать информацию о системе в полном объеме. Следовательно, задача идентификации и прогнозирования должна включать в себя решение и задачи формирования испытательного сигнала, согласованного с системой, и решение задачи собственно оценки параметров оператора «вход - выход» системы (как на текущий, так и на задан-
ный будущий момент времени). Решение задачи идентификации в такой постановке создает условия и для прогнозирования состояния контролируемой системы.
Содержательно, сущность задачи заключается в следующем: по реализации отклика на входной оптимальный испытательный сигнал в реальных условиях оценить параметры оператора «вход - выход» наилучшим образом на текущий и заданный будущий моменты времени с учетом требований по достоверности и своевременности получения оценок.
Необходимо отметить, что на основе такого подхода задачи идентификации ставились, однако до настоящего времени сущность нелинейного оператора не была раскрыта полностью. Решение в завершенном виде было получено лишь для случаев, когда выходной процесс является гауссовым и система линеаризована. Тогда решение задачи сводится к решению уравнения Фред-гольма первого рода, а при контроле стационарных линейных систем - к уравнению Винера-Хопфа. В случае же идентификации нелинейных систем задача установления оператора «вход — выход» в известных работах сводится к решению более простого регуляризированного уравнения. Но даже в такой постановке она представляется крайне трудоемкой для практического применения и ее решение трудно осуществимо с точки зрения вычислительных затрат и, кроме того, не учитывает вытекающее из практических соображений требование по своевременности обнаружения изменения состояния системы.
Таким образом, отсутствие программно реализуемых методов и алгоритмов автоматической идентификации и прогнозирования состояния КПИ в реальных условиях его функционирования, основанных на непосредственном контроле наблюдаемой системы, является существенным сдерживающим фактором в развитии теории и техники метрологических измерений, чем и обуславливается актуальность предлагаемой работы.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка и обоснование математических методов и программно реализуемых на ПЭВМ алгоритмов автоматизированного оценивания и прогнозирования параметров КПИ как нелинейной нестационарной динамической системы по информации, содержащейся в выборке измерений по оптимальному испытательному сигналу на выходе системы в условиях априорной неопределенности о текущем состоянии системы.
Новизна научных результатов, полученных в работе
1. В работе предложен и обоснован единый статистический критерий идентификации и прогнозирования состояния информационного канала, позволяющий совместно решать задачи построения оптимального тестового сигнала, согласованного с контролируемым каналом в режиме нормального
функционирования, идентификации параметров текущего состояния и их прогнозирования на заданный момент времени. Предложенный критерий является обобщением и специальным развитием методов распознавания и оценки параметров статистических гипотез в задачах контроля сложных информационных систем.
-
В разработанном методе определения текущего состояния контролируемого канала, в отличие от известных подходов, вырабатываемые оценки параметров канала отвечают не только требованиям по достоверности, полноте и несмещенности, но и требованию по своевременности, то есть минимизируют интервал времени между фактическим возникновением неисправности и ее обнаружением. Это обеспечивается использованием специального критерия разделения близких сложных динамических гипотез в виде стохастического дифференциала отношения максимумов функций правдоподобия.
-
Программно реализованный алгоритм идентификации и прогнозирования состояния КПИ, обладающий ассимптогически байесовскими свойствами в режиме текущего контроля функционирования КПИ. По сравнению с известными алгоритмами, разрабатываемый в диссертации алгоритм рассчитан на работу как в условиях близких динамических гипотез, так и в традиционных (характерных для известных алгоритмов) условиях.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Предложенный для решения задачи идентификации и прогнозирования принцип оптимальности, представимый суперпозицией частных принципов оптимальности синтезирования оптимального испытательного сигнала, идентификации параметров и их прогнозирования, и реализующая этот принцип структура критерия идентификации и прогнозирования состояния информационного канала. Сущность принципа оптимальности состоит в отображении пространства выборок измерений сигнала на выходе канала в пространство его возможных состояний;
-
Метод решения задачи распознавания близких гипотез о состоянии информационного канала, обеспечивающий одновременное выполнение требований по достоверности и своевременности принятая решения о текущем состоянии канала;
-
Метод прогнозирования информационного канала как сложной нестационарной динамической системы. Сущность метода состоит в прогнозировании параметров оператора преобразования «вход - выход» при условии установления его текущего состояния;
-
Алгоритмы решения задач идентификации и прогнозирования состояния информационного канала, позволяющие вырабатывать оценки согласно предъявленным требованиям по достоверности и своевременности.
Теоретическая значимость работы
Теоретический вклад заключается в развитии статистических методов классификации близких многопараметрических динамических гипотез с одновременным оцениванием их параметров.
Практическая ценность
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные методы и алгоритмы программно реализованы на ПЭВМ, характеристики качества алгоритмов полностью удовлетворяют требованиям, выдвигаемым к современным контрольно - измерительным комплексам. Практически важным является возможность использования разработанных методов и алгоритмов для построения аппаратно - программных измерительных комплексов, применяемых для текущего контроля современных систем цифровой связи и управления, а также для разработки и настройки последнего на предприятиях - изготовителях.
Достоверность результатов
Достоверность результатов работы обуславливается тем, что в основу математической постановки рассматриваемой задачи положены исходные данные и допущения, соответствующие реальным свойствам, условиям и процессам функционирования КПИ. Оценки характеристик качества методов и алгоритмов получены аналитически и подтверждены результатами численных экспериментов на ПЭВМ в широком диапазоне условий.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научно - технической конференции «Современное телевидение» (Тверь, 1995г.), 4-й научно-технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 1996г.), на LI-й научной сессии РНТОРЭС им. Попова, посвященной дню радио (Москва 1996г.), 2-й Международной конференции «Спутниковая связь» (Москва 1996г.), на LII-й научной сессии РНТОРЭС им. Попова, посвященной дню радио (Москва 1997г.), на 5-й научно - технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 1997г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертации
