Software of information-measurement system for operative spectral analysis

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

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

Alehander V Zhelonkin

Samara State Technical University

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

References

Supplementary files