Методика и алгоритмы контроля работоспособности и диагностики сейсмометрических каналов в телеметрических системах сейсмомониторинга на крупных сооружениях

Квашин Е.В.

Приводятся результаты исследований и разработок на системе автоматического телеконтроля работоспособности регистрационных комплексов в системах сейсмомониторинга на крупных особо важных сооружениях. Предложен алгоритм реализации контроля без прерывания анализа сигналов на их полезность и регистрации полезных событий.

Актуальность оснащения крупных особо важных сооружений, в частности гидротехнических, автоматизированными системами сейсмометрических наблюдений (АССН) не вызывает сомнений и подтверждается Законом о безопасности гидротехнических сооружений Республики Узбекистан от 1999 г.

В /1/ нами обоснована и сформулирована задача телеконтроля работоспособности сейсмометрических каналов регистрационных комплексов АССН, обеспечивающего их высокую надежность  и тем самым уменьшающего риск потери или искажения полезной сейсмоинформации. Там же определены три необходимых вида такого  контроля – оперативный количественный всех каналов регистрационного комплекса РК, выборочный качественный контроль любого желаемого канала и регистрация переходных характеристик всех каналов РК для последующего построения их амплитудно и фазово-частотных характеристик и поставлена задача минимизации расхода времени на контроль с целью снижения риска пропуска регистрации непредсказуемых во времени сейсмических событий.

В результате ранее проведенных исследований /1/ выбран эффективный метод анализа качества каналов, основанный на оценке их переходных характеристик (откликов), несущих полную информацию о статистических и динамических параметрах сейсмометрических каналов. Для этого сейсмоприемник (СП) каждого канала возбуждается током, подающимся в течение необходимого времени в его рабочую катушку, и тем самым она выводиться из равновесного состояния до заданного положения в зазоре, а затем ток отключается. В результате на выходе катушки имеет место отклик, который сопоставляется с эталонным для данного типа СП (рис. 1). Сравнение их осуществляется в точке контроля (Т.К.) на отклике в пределах окна контроля (О.К.). Причем, такая процедура проводиться для каждого СП дважды – с положительным и отрицательным возбуждающими токами. В рассматриваемом нами РК двухполярные токовые посылки с требуемыми амплитудой и длительностью формируются программно-управляемым генератором тока.


Описанный метод анализа качества канала требует вывода маятника СП из равновесного состояния на 0,7-0,8 от величины его рабочего зазора, что и определяет величину возбуждающего тока и время его воздействия.

Наиболее простым и эффективным вариантом возбуждения СП является непрерывная ступенька тока (рис. 1). Нами проведен детальных анализ этого варианта, что, как и дальнейшие материалы данной статьи, подробно изложен в отчете за 2003 г по госзаказу Координационного Совета по научно-техническому развитию «Центр по науке и технологиям» Кабинета министров РУ (Контракт № П-20.33).

Приведем здесь лишь итоговые выводы по этому анализу в виде достоинств и недостатков реализации режимов контроля каналов при возбуждении их СП непрерывной ступенькой тока.

Режим контроля может выполняться лишь монопольно, то есть с отключением анализа текущей информации на ее полезность,  и тем самым, с вероятностью пропуска регистрации сигналов землетрясений, возникающих во время контроля.

Время контроля – от 20 сек при выборочном количественном контроле одного желаемого канала и до 10-20 минут (в зависимости от количества каналов в системе наблюдений) при контроле всех каналов с регистрацией их полных переходных характеристик.

Алгоритмы и их программная реализация просты и экономичны по времени.

Схематехническая и программная компоненты, обеспечивающие генерацию и передачу ступенек тока в СП экономичны и просты.

Расход времени на фазы возбуждения СП и регистрации отклика канала физически минимально необходимы.


Таким образом единственным, но весьма значительным недостатком данного варианта режима контроля является большое время нечувтствительности системы к непредсказуемым полезным сигналам.

В связи с этим рассмотрен вариант возбуждения СП каналов цугом импульсов (рис. 2), при котором достигается та же цель, что и при использовании непрерывной ступеньки тока, но за более длительное время ввиду меньшей эффективности разреженных коротких токовых посылок в рабочую катушку СП.

Но при этом появляется  программная возможность совмещения контроля каналов на их работоспособность с непрерывным текущим анализом сигналов на их полезность. Детальные алгоритмы такого совмещения для всех трех видов контроля, упомянутых выше, и для нескольких вариантов алгоритмической и аппаратной реализации режимов возбуждения СП цугами импульсов изложены в упомянутом выше годовом отчете.

Здесь приведем лишь выводы по этому методу организации контроля работоспособности каналов, которые сводятся к следующему.

Анализ текущих сейсмосигналов и регистрация при признании их полезными по всем принятым информативным признакам сохраняются при выполнении всех трех видов контроля работоспособности сейсмометрических каналов системы наблюдений.

Схемотехническая компонента регистрационного комплекса АССН проста и не отличается от варианта возбуждения СП непрерывной ступенькой тока.

Алгоритмическая и программная реализация режимов контроля достаточно просты и не громоздки.

Абсолютное время протекания режимов контроля с цугами импульсов значительно превосходит таковое с непрерывной ступенькой тока (до десятков раз), что порой не удобно из-за длительного ожидания результатов контроля.

Последнее является единственным недостатком, хотя здесь и нет прерывания режима анализа и регистрации полезных сигналов землетрясений.

Нами просмотрены ряд вариантов ускорения процесса контроля, но все они, улучшая этот показатель, порождают другие недостатки.

В результате предложен гибридный вариант возбуждения СП, объединяющий достоинства обоих рассмотренных выше. Кратко алгоритм его реализации сводиться к следующему.

Как и в варианте с непрерывной ступенькой тока возбуждения СП, оператором включается желаемый вид контроля каналов.

При полном контроле всех каналов в очередной канал организуется подача непрерывной ступеньки тока, как описывалось выше. Параллельно идет подсчет стандартных для РК тактов опроса каналов, как и в обычном режиме ожидания полезных сигналов. Когда в счетчике тактов устанавливается номер канала (такта), назначенного  в системе  к анализу на полезность сигналов, осуществляется прерывание ступеньки тока в тестируемом канале, что достигается закрытием его ключа в системном проходном коммутаторе каналов, и открывается ключ анализируемого на полезность канала. Сигнал с него поступает на усилитель и далее на АЦП, код с которого передается в машину, и далее на его индивидуальный анализатор программы распознавания полезных сигналов. В следующем такте восстанавливается ступенька тока в тестируемом канале, вплоть до номера (такта) следующего анализируемого на полезность канала. После завершения просчета всех каналов системы в данном цикле осуществляется переход на новый цикл. И так до заданного количества циклов, определяющего заданную для данного типа СП длительность ступеньки тока. Если в системе наблюдений к анализу назначены три канала, а это, как правило так, то суммарное время прерывания ступеньки тока в тестируемом канале составляет около 5% от ее длительности, что практически не влияет на время полного возбуждения СП.

Если за время возбуждения данного СП программой анализа и распознавания сигналов не выработан полный признак их полезности, осуществляется переход на фазу регистрации переходной характеристики, как это описывалось ранее. При появлении же такого признака осуществляется безусловное прерывание режима контроля (с запоминанием номера канала, на котором оно произошло) и переход на режим регистрации сигналов по всем каналам на заданную длительность. После завершения этой регистрации осуществляется автоматический возврат в режим контроля на прерванный канал.

Фаза регистрации отклика реализуется второй частью программы контроля, которая запускается после завершения работы программы стимуляции канала. В ней вначале устанавливаются все необходимые параметры регистрации, как-то длительность отклика, расположение точки контроля на нем и окно контроля и затем запускается сквозной счет каналов (тактов) начиная с первого. При достижении в счетчике номера тестируемого канала в этом же такте  организуется прием, усиление, оцифровка ординаты отклика канала с идентификатором в виде его номера.

Далее продолжается холостой счет тактов до номера ближайшего по счету анализируемого на полезность канала, где стандартно организуется опрос его и передача кода ординаты сигнала в анализатор, как и в фазе стимуляции канала. И так до конца цикла просчета каналов с последующим переходом на следующий цикл, вплоть до заданного их количества, определяющего  длительность отклика СП тестируемого канала.

После завершения регистрации данного отклика организуется тестирование того же канала со ступенькой тока второй полярности или начинается тестирование следующего канала. И так до последнего канала в системе наблюдений, после чего формируется файл полных переходных характеристик всех каналов с таблицей работоспособности каналов, либо только таблица с идентификаторами в виде имени файла контроля.

Прерывание режима контроля при регистрации откликов в случае появления признака полезности сигналов осуществляется так же, как и в фазе стимуляции СП.

Рассмотрим ситуацию, когда тестируется один из каналов, назначенных для анализа сигналов на полезность. Отметим, что тестирование их особо важно, что не требует доказательств. В этом случае единственным выходом является исключение этого канала из процесса распознавания на время его контроля. В результате анализ и распознавание осуществляется по двум каналам из трех, что несколько ухудшает его достоверность, но лишь в сторону увеличения вероятности регистрации сигналов от локальных промышленных помех на сооружении, так как ослабляется информативность признака территориальной корреляции сигналов от землетрясений.

Такая корректировка алгоритма распознавания базируется на сравнении номера очередного тестируемого канала с номерами анализируемых.

При совпадении с любым из них отключается соответствующий ему канальный анализатор сигналов и решение о полезности события  в распознавателе РК принимается по двум вместо трех канальных признаков полезности.

Резюмируя изложенные выше результаты исследований и разработок по автоматическому телеконтролю работоспособности сейсмометрических каналов в регистрационных комплексах натурных наблюдений на крупных сооружениях можно сделать следующее заключение.

Применение методики возбуждения сейсмоканалов ступеньками тока с короткими их прерываниями на время анализа сигналов на их полезность в назначенных точках сооружения, обеспечивает минимизацию абсолютного времени контроля до физически обусловленного и непрерывность ожидания сигналов землетрясений и их регистрацию.

Список литературы

Квашин Е.В., Пак В.В. Метод автоматического контроля сейсмометрических каналов и его анализ.// «Сейсмические приборы», вып.15 – М.: Наука. 1982.