Магистерский диплом (ВКР) на тему (2) Разработка высоконадежной автоматической противогололедной системы и повышение эффективности ее функционирования

Содержание:

Список
сокращений, условных обозначений и терминов. 3

Введение. 4

Глава
1 Анализ возможностей создания автоматических противогололедных систем  7

1.1
Особенности современной климатической обстановки, обуславливающие образование
гололеда и снежного наката на дорожном покрытии. 7

1.2
Анализ возможных методов борьбы с явлениями гололеда и снежного наката  15

1.3
Анализ проекта автоматической противогололедной системы.. 16

1.4
Выделение нерешенных частей проблемы и постановка задачи данного исследования. 19

1.5
Выводы по разделу. 20

2
Разработка проектных решений по созданию высоконадежной автоматической
противогололедной системы.. 22

2.1
Выделение состава и особенностей оборудования типовой автоматической
противогололедной системы.. 22

2.2
Обоснование путей повышения надежности оборудования автоматической
противогололедной системы, а также повышения эффективности ее функционирования. 23

2.3
Создание алгоритмической основы программной системы для повышения надежности
функционирования автоматической противогололедной системы   33

2.4
Разработка информационной модели программной системы повышения надежности
функционирования автоматической противогололедной системы   43

2.5
Выводы по разделу. 47

3
Реализация программной системы повышения надежности функционирования
автоматической противогололедной системы.. 49

3.1
Выбор технологий и средств разработки. 49

3.1.1
Обоснование выбора технологии программирования. 49

3.1.2
Обоснование выбора языка программирования. 54

3.1.3
Выбор интегрированной среды разработки. 58

3.1.4
Выбор дополнительных инструментальных средств. 61

3.2
Прототипирование и реализация интерфейса пользователя системы.. 63

3.3
Особенности программной реализации создаваемой системы.. 67

3.4
Разработка документации программной системы.. 72

3.4.1
Руководство администратора по установке и наладке программной системы   72

3.4.2
Руководство пользователя по эксплуатации программной системы.. 73

3.5
Тестирование полученного программного продукта. 74

3.5.1
Выбор подхода к проведению тестирования. 74

3.5.2
Описание результатов проведенного тестирования готового программного продукта. 84

3.5.3
Контрольный пример выполнения разработанного программного продукта  85

3.6
Оценка экономической эффективности программной системы повышения надежности
функционирования автоматической противогололедной системы   88

3.7
Выводы по разделу. 91

Заключение. 92

Список
использованных источников. 94

Приложение.
Код разработанного программного обеспечения. 96

Введение:

Актуальность ВКР.

На сегодняшний день развитие средств электронной техники и
исполнительных устройств позволяют реализовывать новые виды устройств и целых
систем, решающих особые прикладные задачи, ранее допускающих только ручные
способы решения. Сюда можно отнести и автоматические противогололедные системы
(АПС), которые на сегодняшний день передовыми методами позволяют бороться с
таким опасным фактором, определяющим дорожно-транспортную обстановку, как
гололедные явления.

Однако, АПС, как и любой технический объект, может частично
или полностью выйти из строя, что может быть обусловлено целым рядом причин.
Сюда можно отнести стандартную для любой техники причину физического износа
оборудования, на котором построена система, но также причиной могут быть и
некие неочевидные события, например, вандализм, перегрев, загрязнение и т.п.
Результатом такого процесса может быть полная невозможность пользования  системой, что очевидно напрямую относится к
вопросам надежности.

Таким образом, можно сказать, что надежность АПС может
рассматриваться на основе теории надежности технических объектов, но также
имеет и некие специфические аспекты, поэтому исследования надежности АПС
являются актуальным вопросом, подлежащим рассмотрению в данной работе.

Проблематика исследования заключается в том, что для
обеспечения бесперебойной работы сложной системы, коей, в частности, является
АПС, необходимо по мере выработки ресурса ее элементов, т.е. при физическом и/или
моральном износе  проводить их замену.
Однако, если такие замены проводить слишком редко, то элементы будут выходить
из строя непосредственно на объекте, вызывая вынужденные простои всей системы, отчего
в значительной мере может снижаться ее общая эффективность. Если же замены
производить слишком часто, стоимость поддержания системы в рабочем состоянии
необоснованно растет, причем в значительной степени.

Очевидно, что для каждого элемента (насоса, датчика,
контроллера, форсунки и т.д.) производитель указывает среднее время наработки
на отказ, которое может служить ориентиром для своевременной замены
оборудования. Однако, в реальности условия эксплуатации на объекте могут
отличаться от тех, в которых проводились замеры надежности производителем, и
задачей именно данной работы является введение возможности учета конкретных
условий эксплуатации элементов АПС, что позволит более точно прогнозировать время
их бесперебойной работы, по сравнению с заявленными в документации значениями.

Обозначенная задача особенно актуальна для автоматической
противогололедной системы, большая часть элементов которой эксплуатируется в
условиях значительных перепадов температур и влажностей окружающей среды,
загрязнения брызгами от проезжающих автомобилей, повышенных химических
воздействий от выхлопных газов (образующих кислотные среды) и т.п.

Объект исследования
— процесс функционирования автоматической противогололедной системы.

Предмет исследования
— параметры надежности элементов данной системы.

Цель работы —
повышение надежности функционирования оборудования, а также эффективности
автоматических противогололедных систем, чего можно добиться путем создания
методики и соответствующего программного средства для более точного
прогнозирования характеристик надежности составляющих этих систем.

Для достижения цели нужно решить следующие частные задачи исследования:

— проанализировать предметную область по тематике надежности
технических устройств, в частности таковых, что входят в состав АПС;

— выделить один, наиболее соответствующий целям данной
работы, метод прогнозирования показателей надежности и провести его
усовершенствование;

— создать программную реализацию улучшенной методики
прогнозирования параметров надежности элементов АПС;

— провести оценку эффективности разработанного решения,
сделать выводы по работе.

Гипотеза исследования
состоит в том, что повышения точности прогнозирования показателей надежности
элементов АПС можно добиться путем использования соответствующим образом
спроектированной и настроенной нейронной сети. Предварительно, архитектура
такой сети соответствует сети прямого распространения, а метод обучения –
обратному распространению ошибки.

Методологическую базу
исследования составляют методы предиктивного анализа, общая теория
надежности, общенаучные методы анализа и синтеза, технологии программирования.

Научная новизна
состоит в разработке на базе аппарата нейронных сетей метода прогнозирования
надежности элементов автоматической противогололедной системы, который
позволяет более эффективно проводить замену и обслуживание оборудования, снижая
время вынужденного простоя соответствующей системы.

Практическое значение
работы состоит в разработке работающего программного продукта, с помощью
которого можно проводить оценку временных показателей надежности, имеющих
наибольшее эксплуатационное значение.

Заключение:

Таким
образом, в данной работе проведено проектирование и реализацию программного
продукта, который на базе методов предиктивного анализа осуществляет
прогнозирование времени бесперебойной работы элементов, составляющих основу автоматической
противогололедной системы.

В
первую очередь в работе рассмотрены вопросы о составе оборудования автоматической
противогололедной системы, а также проанализированы показатели надежности
устройств, образующих эту систему. Выбраны факторы, влияющие на надежность этих
устройств и, в частности, обусловленные тем, что их эксплуатация проводится в
условиях воздействия факторов зимнего времени года, а не в стационарных пунктах
со стабилизированной температурой, влажностью и т.п.

Основой
созданного решения выбрана нейронная сеть в виде двухслойного персептрона с 8
входами (в работе выбрано 8 основных характеристик условий эксплуатации
оборудования, которые могут влиять на ее длительность) и одним выходом (с
которого снимается прогнозируемое время в часах). Такой подход позволяет
улучшить процесс прогнозирования показателей надежности, используя только
простые, но эффективные методы машинного обучения (нейронную сеть прямого
распространения или персептрон), самое главное — отпадает необходимость
возведения классической математической модели (которая, очевидно, была бы
достаточно сложной, а также насыщенной разнообразными неизвестными
коэффициентами, которые должны задаваться экспертным путем, что часто бывает не
очень надежным).

Программа
разработана на языке С/С++ в среде С++ Builder с использованием
объектно-ориентированного подхода к программированию. Исследование готового
программного продукта показало, что прогнозирование осуществляется с
удовлетворительной для данной предметной области точностью от 15%. Соответственно,
разработанный программный продукт может использоваться на практике в
планировании замены оборудования АПС, что позволяет получить различные виды
эффекта от внедрения такой системы.

В
целом исследование может считаться завершенным, а цель работы — достигнутой.

Фрагмент текста работы:

Глава 1 Анализ возможностей создания автоматических
противогололедных систем 1.1 Особенности современной климатической
обстановки, обуславливающие образование гололеда и снежного наката на дорожном
покрытии Несмотря на идущие на планете в целом процессы глобального
потепления, зимние температуры практически на всей территории России опускаются
ниже нулю по шкале Цельсия (за исключением отдельных наиболее южных регионов
наподобие Краснодарского края и некоторых близлежащих территорий). Эта
температурная точка играет важнейшую роль на планете Земля, 2/3 поверхности
которой покрыто водой, испытывающей фазовый переход в твердое состояние при
нуле градусов (что справедливо для достаточно широкого диапазона высот над
уровнем моря).

С бытовой точки зрения следует отметить, что вода в
замерзшем состоянии (лед, снег или иней) сильно затрудняет перемещение любых
объектов по соответствующим поверхностям. Это обусловлено тем, что резко падает
коэффициент трения между объектом и опорной поверхностью, причем до таких
значений, что становится невозможной фиксация крупных объектов на ней. В
вертикальном направлении это проявляется в самопроизвольном движении объекта до
того момента, пока его центр масс не займет наиболее низкое положение
(обусловлено общим физическим принципом устойчивости положения с минимумом
потенциальной энергии). В бытовом отношении такое перемещение равносильно
падению, которое часто сопровождается ударами об опорную поверхность и
получением травм и повреждений. В горизонтальном направлении тело теряет
способность изменять свою скорость (разгоняться или тормозить), что в первом
случае снижает КПД движителей, а во втором чревато серьезными авариями, что
наиболее часто и проявляется при движении автомобилей по заснеженной или
покрытой льдом дороге. В целом это утверждение касается всех известных способов
перемещения: ходьбы, бега, ползания, качения, волочения и т.п.

Таким образом, при организации безопасного движения
автомобильного транспорта следует бороться с явлениями гололедного характера, а
разработка методом и средств такой борьбы является важной задачей специалистов
соответствующих отраслей.

Очевидно, для противодействия гололедным явлениям можно
применять разнообразные подходы, имеющие различную стоимость и эффективность.
Возможна полностью ручная очистка дорог, целесообразная в случае слаборазвитой
экономики и чрезвычайно малой оплаты труда неквалифицированных работников.
Кроме того, применение такого варианта именно на дорогах сопряжено с
опасностями для жизни и здоровья «уборщиков» и не может рассматриваться как
полноценный способ борьбы с гололедом в масштабах даже целых районов, а тем
более городов и более крупных территориальных единиц. Вероятной может быть
ручная очистка одного-двух кварталов в экстренном порядке, но вряд ли более.

Наиболее распространенным способом уборки на сегодняшний
день является применение специализированной автомобильной техники, ведомой
водителем-оператором. Каждая такая единица может осуществлять посыпку дорожного
полотна механическими средствами, увеличивающими сцепление с дорогой (в первую
очередь это песок, однако может быть и отсев продукции предприятий
горно-добывающей промышленности и т.п.). Также широко применяется посыпка или
поливка (разбрызгивание) специализированными химическими реагентами, которые
способствуют расплавлению льда и тем самым – улучшению дорожной обстановки.