Формализация понятий «диагностическая ситуация» и «диагностическая деятельность»

В любой определённой деятельности анализ сложившейся ситуации должен предшествовать принятию решения о последующих действиях [1]. Современная техническая диагностика, составляющая информационную основу обеспечения надёжности сложных систем, нуждается в чётком разграничении и формализации базовых понятий. Ключевыми из них являются понятие диагностическая ситуация (ДС) как структурированное описание технического состояния (ТС) объекта и соответствующего контекста, и диагностическая деятельность (ДД), как процесс целеполагания, анализа и принятия решений по оценке ТС. Декларативное описание ДС задаёт контекст, в котором будет реализована процедурная составляющая этой ДС. Оценив существенные особенности предметной области, специалист получает необходимые данные, ограничивает множество возможных методов и инструментальных средств, а также определяет границы интерпретации экспериментальных результатов [2].

Отсутствие формализованной модели, устанавливающей отношения между контекстом (ДС) и алгоритмом действий (ДД), создаёт барьер для создания диагностических экспертных систем (ДЭС). В ДЭС важно наличие концептуальной диагностической модели (КДМ), способной объединить все элементы комплекса знаний, которые используются экспертами в практических задачах.

В работах по медицинской диагностике (см. например, в [3]) и диагностированию технических систем (см. например, [4]) используются онтологии для описания ДС и ДД.

Настоящая статья посвящена разработке формализованных дефиниций понятий ДС и ДД с целью их включения в концептуальное ядро ДЭС. В настоящем исследовании и в ряде предшествующих работ автора (например, [5, 6]), в качестве базовой применена методология [7], включающая последовательность этапов: систематизация, формализация, автоматизация.

1    Формализация начальной части концептуальной диагностической модели

Для развития ДЭС необходима адекватная формализация экспертного опыта, которая выходит за рамки логических правил и находится в области взаимоотношения понятий ДС и ДД. ДЭС включает три элемента: сертифицированный субъект эксплуатационной деятельности (СЭД); допустимые внешние условия эксплуатации объекта диагностирования (ОД); допустимые внутренние состояния ОД. Последний элемент – это допустимое ТС, оценку допустимости которого предстоит получить субъекту ДД (СДД). Описание этих элементов представляет собой сущность, которую предлагается характеризовать понятием ДС.

ДС – это структурированный набор наблюдаемых или мыслимых фактов и условий, который даёт возможность оценить текущее ТС ОД в данных корпоративных условиях и принять решение о дальнейших возможных действиях (продолжение эксплуатации, техническое обслуживание, ремонт, реновация и др.).

Под корпоративными условиями понимается совокупность внутренних и внешних факторов, условий и регламентов, сложившихся в рамках конкретного предприятия (например, многообразие видов ОД, сложность и количество экземпляров каждого вида ОД, принятая система технического обслуживания (СТО), перечень технических средств диагностирования, квалификация персонала и др.).

В конкретной ДС участвует конкретный экземпляр ОД. Этот экземпляр является носителем текущего ТС, которое в процессе ДД предстоит определить.

В качестве примера типовой схемы описания ДС можно привести следующую последовательность. Фиксация СЭД внешних органолептических диагностических показателей; интуитивное сопоставление их текущих значений с допустимыми пределами; выявление отклонений или их отсутствие (например, температура выше нормы или в пределах нормы); формирование СЭД сообщения для СДД о возможных аномалиях; совместный (СЭД и СДД) анализ контекста – учёт предыстории и внешних факторов; формулировка СДД предварительных гипотез о возможных причинах и локализациях неисправностей в пределах заданной глубины поиска.

Пример ДС двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля. При запуске холодного двигателя на приборной панели автомобиля загорается лампочка «Контроль двигателя». ОД в данном случае можно считать систему управления двигателем. СЭД является автовладелец. СДД (автомеханик) подключает сканер к бортовому компьютеру автомобиля и определяет код ошибки (например, P0420 – неэффективность системы каталитического нейтрализатора). Полученный код указывает на возможную причину: неисправность или старение катализатора, отказ одного из кислородных датчиков или проблемы в системе выпуска отработавших газов. Эта ДС обуславливает дальнейшие проверки конкретных узлов, на которые указал код ошибки. Таким образом, имеется структурированный процесс перехода от внешнего признака ТС к его технической причине с помощью определённых инструментов и знаний.

ДД на этапе эксплуатации – это мыслительная, органолептическая или инструментальная активность СДД по устранению неопределённости относительно вида текущего ТС данного экземпляра ОД и оценки перспектив изменения этого состояния с целью обоснования возможности использования технической системы по назначению. Поскольку ДС представляет собой объективную данность, которая выступает причиной и предметом ДД, постольку понятия ДС и ДД предлагается положить в основу КДМ на начальном этапе её построения.

Для формализации концептуальных моделей используются различные нотации и инструментальные средства. Например, в [3] – это редактор онтологий. При использовании фреймовой нотации для описания КДМ начальным фреймом является ДС. ДС – это объективно существующее состояние независимо от того, приступил ли СДД к его осмыслению. Неисправность возникает и развивается до и вне ДД.

Начальным фреймом КДМ выбран Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ_СИТУАЦИЯ(t) с параметром текущего времени и с четырьмя слотами. Параметр t предназначен для фиксации моментов возникновения нештатных ситуаций в процессе эксплуатации каждого экземпляра ОД, учёта предыстории технических воздействий на указанные экземпляры в рамках их деградацион-ного представления, а также для регистрации положительных и отрицательных случаев, характеризующих профессиональную пригодность различных СЭД.

Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ_СИТУАЦИЯ(t):                                      (1)

ОД                    ( Фрейм ТЕХНИЧЕСКАЯ_СИСТЕМА);

Субъект               ( Фрейм СДД);

Надсистема            ( Фрейм ЭСр, Фрейм СЭД, Фрейм СТО);

Технология           ( Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ_ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ).

Слоты ОД, Субъект, Надсистема моделируют предметную область (декларативное описание), а слот Технология – проблемную область (процедурное описание). Сущность слота ОД в фрейме (1) очевидна, а именно: ДС всегда объективно обусловлена текущим ТС ОД в некотором контексте.

ДЭС и их КДМ проектируются и предназначаются не для одного конечного пользователя, а являются инструментальным средством коллективного пользования в рамках определённой корпоративной системы (КС). Поэтому в декларативную часть КДМ необходимо включить множество СДД ( Субъект ), характеризуя их идентификационные и профессиональные сведения, а также накапливать информацию о результатах их ДД (например, об ошибках первого и второго родов – «ложная тревога» и «пропуск неисправности»).

Характеризуя сущность и состав слота Надсистема , необходимо отметить следующее. ДД реализуется в рамках системы диагностирования (СД). Целью данной СД является оценка ТС ОД и определение возможности его дальнейшей эксплуатации. СД организационно и функционально входит в СТО, задачей которой является поддержание и обеспечение требуемого уровня надёжности ОД. СТО является частью КС, обеспечивающей бизнес-процессы с использованием данного ОД. Перечисленные системы находятся в иерархических отношениях (см. рисунок 1). СД занимает позицию системы третьего уровня     в     общей     корпоративной     иерархии:

Корпоративная система

• •    Реализация бизнес-процессов

Система обслуживания

• •    Обеспечение надёжности

Система диагностирования

• •    Оценка технического состояния

Рисунок 1 – Корпоративная иерархия систем

КС → СТО → СД. Представителем первого уровня в слот Надсистема фрейма (1) включён СЭД соответствующим фреймом (Фрейм СЭД), а СТО представляет здесь второй уровень иерархии (Фрейм СТО). В описание надсистемы включена эксплуатационная среда (ЭС) (Фрейм ЭС). Таким образом, ЭС и СЭД, как объективная и субъективная составляющие, предназначаются для описания особенностей ДС в отношении надсистемы первого уровня иерархии.

Учитывая то, что ДС является первичной для ДД, в содержательную часть слота Технология включён Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ_ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ .

2    Формализация понятия диагностическая деятельность

Процесс эксплуатации большинства технических систем происходит циклически (суще- ствуют также непрерывные процессы - например, непрерывное производство или автономные объекты [4]). Цикличность включает два вложенных цикла - эксплуатационный (периодическая последовательность рабочих смен) и обслуживающий (регламентное техническое обслуживание либо внеплановый ремонт), переключение между которыми осуществляется по результатам периодической оценки ТС. Положительный результат оценки активирует очередной эксплуатационной цикл, а отрицательный - обслуживающий цикл.

Оценка ТС входит составной частью в ДД и её принято называть задачей контроля ТС (КТС). В комплекс задач ДД включаются также задачи: поиск дефектов (ПД) - обнаружение дефектов и установление их причин; прогнозирование ТС (ПТС).

Особенность цикличности диагностических задач на этапе эксплуатации заключается в том, что они решаются регулярно, в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, а также при возникновении сбоев, неисправностей и отказов.

Задача КТС в зависимости от условий использования ОД по назначению в пределах каждого возможного варианта обслуживающего цикла реализуется с учётом требований безопасности, функциональности, эффективности или в любом их сочетании (внешние требования). Задача ПТС также многовариантна (например, прогнозы остаточного ресурса, безопасного состояния, нарушения функциональности, степени эффективности или их сочетания).

Обслуживающий цикл в явном виде не содержит СЭД, но знания о поведении ОД в момент утраты им, например, функциональности или информация о показаниях встроенных средств диагностирования важны для СДД в будущих экземплярах цикла. В субъектный контекст ДД следует также включить субъекта по техническому обслуживанию и ремонту. Этот субъект организационно относится к СТО и включён в Фрейм СТО.

Схема взаимоотношений основных субъектов деятельности в рамках эксплуатационного и обслуживающего циклов приведена на рисунке 2.

Количественные оценки диагностических показателей образуют информационную базу для принятия решений СДД, а его решения в форме «текущий вид ТС или прогноз этого вида» в обслуживающем цикле образуют основу задания для субъекта по техническому обслуживанию и ремонту на определённые технические воздействия, а для СЭД - на планирование очередного эксплуатационного цикла.

ВТ - внешние требования; ТТС - текущее ТС ; СЭД - субъект эксплуатационной деятельности; СРД - субъект по техническому обслуживанию и ремонту; СДД - субъект диагностической деятельности; КТС - контроль ТС ; ПД - поиск дефектов; ПТС - прогнозирование ТС ; СТО - система технического обслуживания; ТОР -техническое обслуживание и ремонт.

Рисунок 2 - Схема цикличного взаимоотношения субъектов на этапе эксплуатации технической системы

Начальным элементом каждого цикла считается задача КТС. В [8] термин КТС определяется как проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов ТС в данный момент времени.

Классификация видов ТС для определённого объекта не является строго регламентированной, за исключением двух очевидных видов - нормальный и анормальный виды ТС, сущ- ность которых определяется возможностью и невозможностью использования объекта по назначению. Эти виды образуют верхний уровень иерархии в классификации. Количество и сущность других подвидов ТС в области «возможности» зависит от особенностей данной КС (организации её службы эксплуатации), а в области «невозможности» – от особенностей её СТО. В области анормальности выделяют следующие виды ТС: неисправное, неработоспособное, критическое и т.п.. В [9] предлагается это делать по критерию существующей корпоративной специфики ремонтных бригад в СТО. В данной работе предлагается выделять ряд видов в области нормальности ТС, а в качестве критерия использовать уровни допустимости (количественные или качественные ограничения) на возможность использования ОД по назначению по критериям: безопасность, функциональность, экономичность.

Пример нормального вида ТС. Заключение по результатам контроля ТС автомобиля Toyota Camry.

На основании анализа данных, полученных в ходе компьютерной диагностики, визуального осмотра и инструментальных замеров ТС автомобиля признано нормальным , но с ограничением по экономичности. Транспортное средство соответствует критериям безопасной эксплуатации, все системы функционируют в штатном режиме, однако зафиксировано устойчивое превышение нормируемого расхода топлива (средний расход топлива при смешанном цикле – 9.8 л/100 км; по паспорту – 8.2 л/100 км; отклонение+19.5%)

Нормальное ТС : коды неисправностей отсутствуют, двигатель запускается устойчиво, динамические характеристики соответствуют ожидаемым, состав отработавших газов в допустимых пределах. Это исключает наличие критических неисправностей.

Отклонение по экономичности : повышенный расход топлива свидетельствует о хроническом обеднении топливовоздушной смеси. Наиболее вероятные причины: загрязнение элементов системы впуска; снижение производительности топливных форсунок; неоптимальное состояние воздушного фильтра; падение компрессии в цилиндрах в пределах допуска. Рекомендованы сервисные операции по восстановлению экономичности двигателя: очистка дроссельной заслонки, замена воздушного фильтра, проверка/очистка топливных форсунок. Контроль расхода топлива после проведения обслуживания. Следующий плановый диагностический контроль установить через 15 000 км.

Отклонения должны быть прописаны в заключительном диагнозе. Перечню допустимых эксплуатационных отклонений в данной КС предлагается ставить в соответствие множество видов нормального ТС с отклонениями. Подобные уровни отклонений можно использовать и для области анормальности ТС. Однако недопустимый вид ТС влечёт ремонтное, регулировочное или другое воздействие в рамках СТО.

КТС – это первая часть процесса диагностирования, предназначенная для определения принадлежности текущего ТС S(t) к множеству нормальных видов состояний ОД S(t) е {S _н (i)} либо к множеству анормальных видов состояния S(t) е { S _a (j) } из множества S его возможных состояний S = {{ S _н (i) }, { S _a (j) }}, i=1,n, j=1,m .

Все возможные варианты отнесения текущего ТС к областям нормальности и анормальности моделируются посредством логической операции сложения по модулю 2. Результаты моделирования представлены в таблице 1. Варианты одновременной принадлежности и непринадлежности являются недопустимыми.

Если истинно S(t) e {S _h (i)} , то дальнейшая фиксация S(t) должна быть выполнена службой эксплуатации КС, а если истинно S(t) е {S _a (j)} , то дальнейшая фиксация S(t) выполняется в СТО в рамках задачи поиска дефектов.

Таблица 1 – Возможные варианты отнесения текущего технического состояния к областям нормальности и анормальности

S(t) ? {S H (i)}	S(t) е {S a (j)}	S(t) ? {S H (i)} @ S(t) е {S a (j)}
.F.	.F.	.F.
.F.	.Т.	.Т.
.Т.	.F.	.Т.
.Т.	.Т.	.F.

В задаче поиска дефектов (вторая часть процесса диагностирования) происходит локализация состояния S(t) до за- данной глубины поиска и результат отождествляется с определённым дефектом или с подмножеством множества возможных дефектов.

Третья часть - это ПТС. Его целью является либо определение Т[Sн(i)\ p] - интервала времени Т, в течение которого сохранится состояние Sн(i) с заданной вероятностью p (или вероятности p[SH(i)\T] сохранения состояния SH(i) объекта на заданный интервал времени T), либо определение T[Sa(j)\ p] - интервала времени T, в течение которого сохранится состояние Sa(j) с заданной вероятностью p.

При положительном исходе КТС прогнозируется текущий вид нормального ТС S _H (i) , а при отрицательном исходе (анормальный текущий вид ТС) после оценки в цикле качества выполненного технического воздействия прогнозируется вид анормального ТС S _a (j) . Разница горизонтов прогнозирования T[S _H (i) \ p ] - T[S _a (j) \ p ] даёт СЭД дополнительную информацию для принятия управленческих решений в текущем эксплуатационном цикле [10].

Принимая во внимание свойство цикличности эксплуатационного процесса ОД, множества нормальных и анормальных видов ТС и возможные исходы в задаче КТС, можно формализовать понятие ДД в виде следующего фрейма.

Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ_ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ(Y,Х,Ps):

Контроль_ТС    ( Фрейм КОНТРОЛЬ_S н (X,Y,Ps), IF(Ps),

Фрейм ПОИСК_S а (X,Y));

Прогноз_ТС            ( Фрейм ПРОГНОЗ_S н (X,Y), IF(Ps),

Фрейм ПРОГНОЗ_S а (X,Y));

Текущее_ТС            (ЗАПРОС_INSERT(ДИАГНОЗ_КАРТА,Z));

Цикл            ( Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ_ЗАДАЧИ(Y,Х,Ps));

Техн_состояние ( Фрейм ДИАГНОЗ (Y,Х,t,Res)).

В фреймовой модели цикл можно организовать с помощью рекурсии. В данном случае предлагается Фрейм ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ_ЗАДАЧИ(Y,Х,Ps) вызывать внутри самого себя, при этом он передаёт управление самому себе и выполняет определённые действия текущей итерации. Последовательность действий в рамках каждой итерации определяется логикой решения текущей диагностической задачи и значением переменной Ps ∈ {true, false, null} . Управление выходом из цикла осуществляется посредством этой логической переменной. В начальный момент рекурсии ей присваивается значение true ; в процессе выполнения текущей итерации СЭД с использованием интерфейсного приложения ДЭС принимает решение о завершении процесса, что формально фиксируется установкой Ps=null .

В (2) переменные Y,Х используются как входные параметры с идентификационными номерами соответственно СДД и ОД. В результате каждой итерации в текущую диагностическую карту функцией ЗАПРОС_INSERT(ДИАГНОЗ_КАРТА,Z) заносится соответствующая запись. Здесь параметр Z – это идентификационный номер текущей записи диагностической карты. После выхода из рекурсии окончательный вариант диагностической карты (её номер Res ) сохранится в цифровой истории данного ОД.

Формализация понятия ДД в виде фрейма (2) обеспечивает её системное, структурированное и алгоритмически интерпретируемое представление. Данная модель явно выделяет ключевые процедуры (контроль, поиск, прогноз) и устанавливает между ними формальные отношения, определяемые условиями предикатов IF(Ps) . Введение слота Цикл отражает итеративную природу диагностического процесса, а функция ДИАГНОЗ_КАРТА обеспечивает связь с конкретными данными и результатами. Предложенная формализация устраняет терминологическую неоднозначность, создавая строгий концептуальный каркас для последующей алгоритмической реализации КДМ.

Заключение

Проведённое исследование позволило решить поставленную задачу, а именно:

• ■   чётко разграничить и формализовать понятия технической диагностики - ДС и ДД;

• ■   построить начальный фрагмент КДМ в виде взаимосвязанных фреймов (1) и (2);

• ■    сформулировать общий подход к классификации видов ТС с учётом корпоративных условий.

Полученные результаты имеют ограничения, связанные с необходимостью экспертной настройки модели в отношении различных классов технических систем как ОД и со сложностью автоматической классификации видов ТС из-за пересечения их областей определения.

В методологии онтологического проектирования распространённой практикой является проведение ретроспективного анализа [11, 12], подразумевающего возврат к ранним этапам разработки для формализации и обоснования решений, принятых ранее. Фреймы (1) и (2) представляют собой более совершенный результат в сравнении с [5, 6].