Software of information-measurement system for operative spectral analysis

Abstract


In paper the problem of software development of the information and measuring system for the operative spectral analysis is considered. While developing the software of the information and measuring system, a modular paradigm for organizing the software structure was chosen, which allowed ensuring the fulfillment of such criteria as flexibility and extensibility of the system, scalability of the development process, replaceability of software components and the possibility of their reuse. The separation of the levels of representation and processing of data in the structure of metrologically significant software allowed separating metrologically significant and insignificant parts and ensuring the protection of measurement information from unintentional and deliberate changes. The system was tested during the pilot studies of low-frequency vibrations of the MAZ-206067 bus for assessing the degree of comfort of the driver and passengers. The obtained results made it possible to obtain a spatial vibro-acoustic portrait of the bus, many times greater than the volume and detail of the manufacturer's data.

Full Text

Диагностика технического состояния объектов требует обработки измери- тельной информации. При этом особое внимание уделяется созданию информа- ционных систем статистического анализа (ИССА) измерительной информации, в которых часть измерительных операций, связанных с обработкой данных наблюдаемых сигналов, выполняется программным способом. Для реализации широких функциональных возможностей и удовлетворения требованиям, предъ- являемым к подобного рода системам, разработан модульный программный комплекс. При разработке модулей были учтены требования, обусловленные необходимостью оценки влияния программного комплекса на метрологические характеристики ИССА и защиты обрабатываемой, в том числе измерительной, информации от непреднамеренных и преднамеренных изменений. Для осуществления оперативного комплексного статистического анализа разработаны цифровые методы статистических измерений и соответствующие им быстродействующие алгоритмы [1, 2, 3], которые легли в основу программ- ного обеспечения. Эти методы обеспечивают проведение спектрального анализа, вычисление оценок спектральной плотности мощности, моментов корреляцион- ной функции и гармонического анализа на основе бинарного знакового аналого- стохастического квантования [4, 5]. Последовательное прохождение всех стадий и этапов создания ИССА обес- печило выполнение требований, предъявляемых к программному обеспечению (ПО), функционирующему с использованием средств измерений и компонентов Андрей Валерьевич Машков, старший преподаватель кафедры «Информационные технологии». Александр Викторович Желонкин, студент. измерительных систем, что, в свою очередь, позволяет говорить о разработанном ПО как о метрологически значимом программном обеспечении (МЗПО). В соот- ветствии с [6, 7] необходимо выделять метрологически значимые и незначимые части в МЗПО. Это предоставляет возможность достижения удобства модифика- ции метрологически незначимых частей ИССА (например, пользовательский ин- терфейс, подпрограммы, библиотеки, процедуры взаимодействия с операцион- ной средой и периферийными устройствами персонального компьютера) без нарушения его соответствия утвержденному ПО и защиты от случайных или не- преднамеренных изменений данных, получаемых из метрологически значимых частей ПО [8-15]. Помимо эффективности, особое внимание было уделено качественной орга- низации структуры ПО, логичности и доступности пользовательского интерфей- са, а также возможности расширения системы для наращивания дополнительного функционала по мере необходимости. Эти характеристики в той или иной степе- ни определили архитектуру разработанного программного комплекса, представ- ляющую собой многоуровневую организацию системы, в которой каждый уро- вень выполняет определенную функцию. Для достижения баланса между функ- циональностью и сложностью структуры ПО были выделены уровни представ- ления и обработки данных. Уровень представления соответствует метрологиче- ски незначимой части ПО и отвечает за графическое представление данных и интерфейс взаимодействия с пользователем. А уровень обработки данных со- ответствует метрологически значимой части ПО и содержит модули реализации алгоритмов. В свою очередь, каждый из этих уровней реализован на разных язы- ках программирования: уровень представления реализован на сильно типизиро- ванном объектно-ориентированном языке программирования Java, а уровень об- работки - на статически типизированном языке программирования общего назначения С++. При разработке программного комплекса ИССА была выбрана модульная парадигма организации структуры ПО, которая позволила обеспечить выполняе- мость таких критериев, как гибкость и расширяемость системы, масштабируе- мость процесса разработки, заменяемость программных компонентов и возмож- ность их повторного использования [16]. Структура программного комплекса ИССА состоит из следующих основных модулей: модуль визуализации измери- тельных данных (ИД), модуль реализации алгоритмов спектрального анализа (СА) и конвертор обработки данных между пользовательским интерфейсом и модулем реализации алгоритмов. На рис. 1 представлена модель многоуровне- вой структуры программного комплекса ИССА. ПК ИССА позволяет работать в двух режимах путем выбора типа источника данных: режим «Загрузка реального сигнала», который позволяет загрузить реаль- ный сигнал из текстового файла или электронной таблицы формата xlsx; режим «Модель реализации случайного процесса», который формирует тестовый сигнал для имитации работы ПК с целью исследования возможностей разработанного алгоритма на основе моделирования многокомпонентного слу- чайного процесса и процедуры бинарного знакового аналого-стохастического квантования. Режим имитационного моделирования позволяет оценить эффективность ра- боты ПК ИССА для анализа определенного класса процессов. МВост.С МГВД МСП МОДУЛЬ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДАННЫХ МАД МВсп.С Java ДГК ДСП ДВсп.С ДАД ДВост.С МКВост.С МКАД МКСП КОНВЕРТОР ОБРАБОТКИ ДАННЫХ МКВсп.С C++ ДРСП ДРСП ДРСП ДРСП МРСП МОДУЛЬ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ МРВсп.С МРВост.С МРАД C++ Рис. 1. Модель многоуровневой структуры программного комплекса ИССА В основе пользовательского интерфейса лежит модуль графической визуали- зации данных (МГВД), позволяющий отображать полученные результаты обра- ботки сигналов в виде графиков. Данными графической визуализации данных (ДГК) являются следующие переменные: тип гармонической компоненты; амплитуда; частота; период; фаза. Модуль многокомпонентного случайного процесса (МКСП) позволяет орга- низовать набор гармонических составляющих для последующей визуализации их сумм или использования в имитации частотного анализа. В качестве данных многокомпонентного случайного процесса (ДСП) выступают следующие пере- менные: нижний предел построения графика; верхний предел построения графика; шаг построения графика; набор гармонических компонент; использование постоянной составляющей; использование гармонических составляющих; значение постоянной составляющей; использование шума; тип распределения; среднее значение распределения; отклонение распределения. Модуль вспомогательного сигнала (МВсп.С) дает пользователю возмож- ность составить список вспомогательных сигналов, которые используются при выполнении бинарного знакового аналого-стохастического квантования в про- цессе реализации алгоритмов [17]. В качестве данных вспомогательного сигнала (ДВсп.С) выступают следующие переменные: тип сигнала; набор гармонических компонент. Модуль анализа данных (МАД) представляет инструмент частотного анали- за полигармонических сигналов в аддитивном шуме на основе бинарного знако- вого квантования. В качестве данных МАД (ДАД) выступают следующие пере- менные: постоянная составляющая; набор гармонических компонент; среднее значение распределения; отклонение распределения; тип алгоритма анализа; тип вспомогательного сигнала; амплитуда вспомогательного сигнала; период вспомогательного сигнала; фаза вспомогательного сигнала; время проводимого анализа; интервал опроса проводимого анализа; нижний предел частоты; верхний предел частоты; максимальная частота; количество возвращаемых знакочередований. Модуль восстановления сигнала (МВост.С) позволяет восстановить гармо- нические составляющие сигнала после проведения частотного анализа. Модули многокомпонентного случайного процесса, вспомогательного сиг- нала, анализа данных и восстановления сигнала связаны со своей реализацией через блок модулей конвертирования данных между языками программирования Java и C++, реализованный на С++. Использование связующего модуля позволя- ет заменить его при необходимости в дальнейшем для использования под другим графическим интерфейсом или без него. Как было сказано выше, необходимость реализации модулей визуализации данных и алгоритмов на разных языках программирования вызвана разделением МЗПО на метрологически значимые и незначимые части. Язык Java позволяет создавать модульные программы, исходный код которых может использоваться повторно, имея в своем арсенале разнообразные компоненты отображения дан- ных и пользовательского интерфейса. Метрологически значимые части реализо- ваны в модулях МЗПО, которые выполняют функции обработки, хранения и пе- редачи данных и результатов СА на языке C++, позволившем применить подход многопоточного программирования для повышения производительности обра- ботки данных. Программное обеспечение приложения, реализующего алгоритмы вычисле- ния спектральных оценок, реализованы на языке C++ в среде разработки Visual Studio 2017 с использованием библиотеки xlnt для чтения электронных таблиц формата xlsx, а также механизма Java Native Interface (JNI) для запуска кода под управлением виртуальной машины Java (JVM), который написан на языке С++. Для большей гибкости код, реализующий алгоритмы, разделен на две части: Core - модуль с реализацией алгоритмов и JavaBridge - модуль преобразования java-объектов в стандартные типы данных языка С++. Наличие различных функциональных компонентов ПО обусловило разгра- ничение интерфейса МЗПО на интерфейс пользователя и программный интер- фейс (ПИ). При проектировании пользовательского интерфейса особое внимание уделено вопросам пространственной распределенности информации - это своего рода качественный признак, определяющий, насколько грамотно спроектирова- ны структура ПО и дружественный пользователю интерфейс. В свою очередь, правильно логически организованная информация обеспечивает удобную и еди- нообразную навигацию как в пределах одного окна, так и в целом по множеству окон и вкладок. Пользовательский интерфейс системы реализован на языке Java в среде раз- работки Intellij IDEA 2017.1.4 на основе технологии JavaFX. Для удобства все элементы представления вынесены в fxml-разметку, а обработка событий - в контроллеры. Элементы пользовательского интерфейса и схема алгоритма ра- боты программного комплекса ИССА представлены на рис. 2. Рис. 2. Пользовательский интерфейс. Схема алгоритма работы программного комплекса ИССА На начальном этапе работы производится загрузка компонентов анализиру- емого многокомпонентного случайного сигнала в приложение с возможностью его визуального отображения в виде настраиваемого графика. Далее происходит автоматический пересчет моментных характеристик сигнала с последующим вы- водом в виде таблицы. Для проведения анализа многокомпонентного случайного сигнала необхо- димо выбрать алгоритм анализа, ввести параметры вспомогательного сигнала или использовать автоматически подсчитанные значения. Далее производится ввод параметров производимого анализа, таких как время анализа, интервал опроса, частотные пределы - верхняя граница частоты в спектре и т. д. Затем проходит непосредственно сам анализ многокомпонентного случайного сигнала по выбранному алгоритму. По результатам анализа появляется возможность представить в виде графика такие данные, как амплитудный спектр, амплитуд- ный спектр в децибелах, фазовый спектр и их нормированные величины. На форме «Сигнал» осуществляются формирование пользователем модели сигнала и инициализация процедуры первичного формирования и накопления массивов цифровых данных наблюдения вибрационных процессов с использова- нием бинарного знакового аналого-стохастического квантования. Активация по- зиции «Гармоническая составляющая» позволяет включить/отключить расчет добавленных ниже гармонических компонентов. Кнопки «Добавить», «Приме- нить», «Удалить» и «Очистить», соответственно, добавляют заполненный сигнал в таблицу к вычислениям, применяют введенные данные к выделенному компо- ненту, удаляют выбранный компонент и очищают таблицу. Активация позиции «Шум» позволяет включить/отключить наличие шума в сигнале. Ниже заполня- ются среднее значение, дисперсия или среднее квадратичное отклонение, кото- рые между собой пересчитываются, и отклонение. Внизу вкладки задаются гра- ницы расчета и шаг аргумента. С правой стороны расположен модуль отображения графика. Есть возмож- ность выбирать область подробного просмотра с помощью двойного ползунка, выбирать таблицу рассчитанных данных, просматривать вычисленные значения. На форме «Вспомогательные сигналы» устанавливаются параметры вспомо- гательных случайных сигналов. Они имеют равномерное распределение в преде- лах изменения контролируемых процессов и играют роль стохастического поро- га квантования. Форма «Анализ», на которой есть возможность задать параметры для вы- полнения спектрального оценивания, используется для вычисления спектраль- ных оценок в реальном масштабе времени. На этой же форме расположен модуль визуального отображения графической информации. При этом имеется возмож- ность выбора частотного диапазона для детального просмотра спектральных оценок с помощью двойного ползунка. Также выводится таблица численных значений результатов вычислений [18-20]. В реальных условиях работы программный комплекс ИССА был апробиро- ван при проведении экспериментальных исследований низкочастотных вибраций автобуса МАЗ-206067, предназначенного для перевозки пассажиров на город- ских и пригородных маршрутах средней загруженности [21-24]. Спектральный анализ вибрации проводился в целях оценки степени комфорта водителя и пас- сажиров и позволил получить пространственный виброакустический портрет ав- тобуса, многократно превосходящий по объему и детализации данные завода- изготовителя.

About the authors

Andrey V Mashkov

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation Senior Lecture

Alehander V Zhelonkin

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation Student

References

  1. Якимов В.Н. Цифровой комплексный статистический анализ на основе знакового представления случайных процессов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2016. - Т. 18. - № (7). - С. 1346-1353. 30 ист. ISSN печатной версии 1990-5378.
  2. Якимов В.Н. Цифровой гармонический анализ многокомпонентных случайных процессов // Измерительная техника. - 2006. - № 4. - С. 22-26.
  3. Yakimov V.N. Digital harmonic analysis of multicomponent random processes // Measurement Tecniques, Publisher: Springer New York, Vol. 49, № 4, pp. 341-347.
  4. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер с англ. - М.: Мир, 1990. - 584 с.
  5. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. - М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с.
  6. ГОСТ 8.654-2015. Требования к программному обеспечению средств измерения. - Введ. 2015- 04-28. - М.: Стандартинформ, 2015. - 8 с.
  7. ГОСТ 8.596-2002. Метрологическое обеспечение измерительных систем. - Введ. 2003-03-01. - М.: Стандартинформ, 2003. - 10 с.
  8. Якимов В.Н., Машков А.В. Программное обеспечение для оперативного спектрального анализа на основе модифицированного коррелограммного метода // Материалы III Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития и перспективы внедрения инновационных технологий в машиностроении, образовании и экономике». 25 мая 2016 г. - Азов: АзовПечать, 2016. - № 1. - С. 157-161.
  9. Якимов В.Н., Машков А.В. Программное обеспечение измерительной системы для оперативного вычисления оценок спектральной плотности мощности // Измерение, контроль, информатизация: материалы XVII Международной научно-технической конференции. 19 мая 2016 г. - Барнаул: Изд-во АлГТУ, 2016. - С. 151-155.
  10. Якимов В.Н. Цифровое оценивание спектральной плотности мощности на основе знакового стохастического квантования непрерывных процессов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2001. №12. - С. 60-64.
  11. Якимов В.Н., Горбачев О.В. Программно-аппаратное обеспечение системы оценки амплитудного спектра многокомпонентных процессов // Приборы и техника эксперимента. - 2013. - № 5. - С. 49-55
  12. Якимов В.Н., Батищев В.И., Машков А.В. Модульный подход к разработке информационно-измерительной системы цифрового оценивания спектральной плотности мощности // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации: сб. науч. ст. Междунар. науч.-техн. конф. «Шляндинские чтения - 2016». 25-27 октября 2016 г. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. - С. 84-86.
  13. Якимов В.Н., Машков А.В. АИС диагностики газоперерабатывающих агрегатов на основе знаковых методов обработки результатов наблюдений с разграничением прав доступа к базе данных // Актуальные проблемы информационной безопасности. Теория и практика использования программно-аппаратных средств: материалы X Всероссийской научно-технической конференции. - Самарский гос. техн. универ.; Самара, 24-26 мая 2017 г. - С. 15-18.
  14. Машков А.В. Автоматизированная информационно-измерительная система технической диагностики параметров газоперекачивающего агрегата // Актуальные проблемы науки и образования в современном вузе: Материалы III Междунар. науч.-практ. конф., 7-10 июня 2017 г. - Стерлитамак: Стерлитамакский филиал БашГУ, 2017. - Ч. 1. - С. 131-137.
  15. V.N.Yakimov, O.V.Gorbachev, Firmware of the amplitude spectrum evaluating system for multicomponent processes // Instruments and Experimental Techniques, Publisher: Springer US, New York, Vol. 56, No. 5, pp. 540-54
  16. ГОСТ 34.601-90. Автоматизированные системы. Стадии создания. - Введ. 1992-01-01. - М.: Стандартинформ, 1992. - 5 с.
  17. Якимов В.Н., Горбачев О.В. Программное обеспечение системы измерения амплитудных спектров колебательных процессов // Программные продукты и системы. - 2013. - № 2. - С. 166- 171.
  18. Якимов В.Н., Горбачев О.В. Программно-аппаратное обеспечение системы оценки амплитудного спектра многокомпонентных процессов // Приборы и техника эксперимента. - 2013. - № 5. - С. 49-55. doi: 10.7868/S0032816213040289.
  19. Yakimov V.N., Gorbachev O.V. Firmware of the amplitude spectrum evaluating system for multicom- ponent processes, Instruments and Experimental Techniques, Publisher: Springer US, New York, Vol. 56, No. 5, pp. 540-545, September 2013.
  20. Якимов В.Н., Горбачев О.В. Измерительная система спектрального анализа вибрационных процессов // Газовая промышленность. - 2013. - № 2. - С. 34-37.
  21. ГОСТ 31191.1-2004 (ИСО 2631-1:1997). Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Ч. I. Общие требования.
  22. ГОСТ 55855-2013. Автомобильные транспортные средства. Методы измерения и оценки общей вибрации.
  23. ГОСТ ИСО 10326-1-2002. Вибрация. Оценка вибрации сидений транспортных средств по результатам лабораторных испытаний. Ч. 1. Общие требования.
  24. ГОСТ ИСО 8002-99. Вибрация. Вибрация наземного транспорта. Представление результатов измерений.

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 2

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies