DE19961631A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung von Funktionsparametern eines technischen Systems - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung von Funktionsparametern eines technischen SystemsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung zumindest zweier Funktionsparameter eines technischen Systems, die aus Meßsignalen einer Messung abgeleitet werden, wobei die Signale digitalisiert und in ein graphisches Portrait umgewandelt werden, das nach Art eines dreidimensionalen, topologischen Modells aufgebaut ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, mit denen schnell und für jedermann nutzbar eine Analyse der Veränderung von Prozeßzuständen und die Prognose künftiger Zustände auch komplexer Systeme mit mehreren Funktionsparametern ermöglicht wird. Erfindungsgemäß werden die gemessenen Parameter mit einer Referenzmessung verglichen und in das graphische Portrait in Abhängigkeit von dem Grad der Abweichung zu der Referenzmessung umgewandelt, wobei eine dynamische Sensibilitätsregulierung bei der Beurteilung der Abweichung erfolgt - Fig. 4.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich
tung zur Darstellung und Überwachung zumindest zweier
Funktionsparameter eines technischen Systems nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 198 01 240 ist ein Verfahren und eine Vor
richtung zur Darstellung und Überwachung von Funktion
sparametern eines physiologischen Systems bekannt,
bei dem elektrokardiographische Daten, die durch Haft
elektroden gewonnen werden, zu einem Datengrundmo
dell zusammengefaßt und in ein graphisches Portrait
umgewandelt werden, das nach Art eines dreidimensiona
len topologischen Modells aufgebaut ist.
Bei diesem Verfahren werden bestimmte Areale des
EKG-Signals bestimmten Arealen des topologischen Mo
dells zugeordnet, wobei eine Verknüpfung der errechne
ten Bildpunkte mit Helligkeits- und Farbwerten auf
der Grundlage der Abweichung der gemessenen Werte von
einer Referenzmessung erfolgt. Die Bestimmung der
Raumkoordinaten sowie der Helligkeits- und Farbwerte
erfolgt dabei über eine Verknüpfung der gemessene
Werte mit einer in einem Programmspeicher abgelegten
3D-Tabelle, wobei die 3D-Tabelle feste Werte enthält.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der
Erfindung das Problem ztugrunde, eine Vorrichtung bzw.
ein Verfahren bereitzustellen, mit der schnell und
für jedermann nutzbar eine Analyse der Veränderung
von Prozeßzuständen und die Prognose künftiger Zustän
de auch komplexer Systeme mit mehreren Funktionspara
metern ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfah
ren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß An
spruch 13 gelöst.
Durch den Vergleich der gemessenen Parameter mit
einer Referenzmessung und der Umwandlung in das gra
phische Portrait in Abhängigkeit von dem Grad der Ab
weichung zu der Referenzmessung werden Veränderungen
technischer Systeme sehr frühzeitig erkannt, so daß
Funktionsstörungen festgestellt werden können, noch
bevor diese ein bedrohliches Ausmaß erreicht haben.
Dadurch wird eine Prognose der Betriebssicherheit
ermöglicht.
Da die aufgenommenen Funktionsparameter unterschiedli
che Meßgrößen betreffen und unterschiedlichen Klein
schwankungen unterworfen sind, ist eine dynamische
Sensibilitätsregulierung bei der Beurteilung der
Abweichung der gemessenen Werte von einer Referenzmes
sung vorgesehen, um so eine Empfindlichkeitsanpassung
bei der Darstellung zu gewährleisten. Auf diese Weise
wird einerseits eine Desensibilisierung und anderer
seits eine mangelhafte Empfindlichkeit bei der Auswer
tung der gemessenen Funktionsparameter vermieden.
Über eine Verknüpfung der digitalisierten Signale der
gemessenen Parameter mit in einem dynamischen Pro
grammspeicher abgelegten Korrekturdaten wird auf eine
einfache Art und Weise erreicht, daß für jeden Parame
ter bei der Bewertung der gemessenen Werte hinsicht
lich der Referenzmessung die optimale Empfindlichkeit
eingestellt wird. Ebenfalls ist durch die dynamische
Auslegung des Programmspeichers eine Kalibrierung
durch den Nutzer möglich, indem für jedes untersuchte
System eine Referenzmessung durchgeführt wird und auf
der Grundlage dieser Referenzmessung die jeweiligen
Korrekturdaten errechnet und in dem Programmspeicher
abgelegt werden.
Auf diese Weise ist es möglich, das Verfahren an die
untersuchten Systeme anzupassen, ohne daß feste
Korrekturdaten vorhanden sein müssen; das Verfahren
adaptiert sich quasi an das untersuchte System.
Da die Korrekturdaten vorteilhafterweise für jeden Pa
rameter getrennt ermittelt werden, können beliebig
viele Parameter aufgenommen werden, wodurch eine sehr
große Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten von der
Untersuchung eines Atomreaktors, über das Startverhal
ten einer Flugzeugturbine bis zum Verhalten von
Maschinen bei der Inbetriebnahme gegeben ist.
Vorteilhafterweise werden die Korrekturdaten auf der
Grundlage des Mittelwertes der Amplitude der Klein
schwankungen errechnet. Der Verlauf der Korrekturda
tenkurve ist dementsprechend abhängig von den jeweils
gemessenen Parametern und der Abweichung zu der
Referenzkurve, so daß eine dynamische Anpassung der
Korrekturdaten erfolgt.
Um die unterschiedlichen Spannweiten der Kleinschwan
kungen mit einer möglichst hohen Empfindlichkeit und
ausreichender Stabilität berücksichtigen zu können,
wird um den Mittelwert der Amplitude der Kleinschwan
kungen ein variabler Bereich ±δ festgelegt, innerhalb
dessen die Korrekturdaten verwendet werden. Der Wert
δ ist dabei abhängig von dem gemessenen Parameter und
liegt bei technischen Systemen in einem Bereich von
500 bis 1000mal der durchschnittlichen Höhe der Klein
schwankungen. Selbstverständlich können auch andere
Werte für δ festgelegt werden, je nach der erstrebten
Empfindlichkeit bzw. Stabilität.
Um die aufgenommenen Signale einer Messung zu analy
sieren, werden sie durch einen Hochpaßfilter gelei
tet, digitalisiert und die so erhaltenen Werte von
den ungehinderten Signalen, die ebenfalls digitali
siert wurden, subtrahiert. Die so gewonnenen Signale
werden entsprechend ihrem Wert zu Gruppen oder sog.
Clustern zusammengefaßt, so daß bei Betrachtung
mehrerer Messungen die Gruppen mit gleichem Wert in
einer Matrix benachbart angeordnet werden können.
Durch das Gruppieren der Werte werden die zunächst
regellos verteilten Kleinschwankungen geordnet, wobei
sich aus den auf den ersten Blick zufälligen Klein
schwankungen eine reguläre Struktur mit einigen kon
stanten Merkmalen herausbildet. Die Reihenfolge der
Gruppierung wird für jedes System individuell gespei
chert.
Zweckmäßigerweise wird eine Zeitspanne für eine
Messung festgelegt, innerhalb der die Funktionsparame
ter aufgenommen und mit den Werten der Referenzmes
sung verglichen werden. Der Beginn dieser Zeitspanne
ist vorteilhafterweise ein signifikantes Ereignis,
z. B. das Einschalten oder das Abschalten einer Anlage
bzw. eines Motors, das Hinzuschalten oder Hinzufügen
einer Komponente oder dergleichen.
Vorteilhafterweise wird die Reihenfolge der Gruppie
rung im Verlauf einer Referenzmessung ermittelt und
auf nachfolgende Messungen angewendet. Ergibt die
erneute Anwendung der Reihenfolge der Umgruppierung
eine veränderte Struktur, kann daraus auf Veränderun
gen des Systems und ggf. auf Funktionsstörungen
geschlossen werden.
Werden mehrere Messungen durchgeführt, sieht eine Wei
terbildung vor, daß alle Messungen über die vollstän
dige Zeitspanne bei der Bildberechnung berücksichtigt
werden, um so mehr und genauere Informationen zur
Erzeugung des graphischen Portraits zu erhalten.
Durch eine Vermehrung der Stützstellen, die für die
Erzeugung des Portraits errechnet werden, wird ent
sprechend die Auflösung der graphischen Darstellung
erhöht.
Weiterhin ist vorgesehen, daß eine Eliminierung von
Störgrößen durch eine Korrelation der Meßwerte mehre
rer Messungen erfolgt. Da das Auftreten von Störgrö
ßen bei Meßwertaufnahmen zufällig ist, die eigentli
chen Meßwerte jedoch untereinander korrelieren,
werden die Störsignale durch eine Korrelation heraus
gefiltert, so daß auch kleine Abweichungen in der
Bilddarstellung erfaßt werden, die in der herkömmli
chen Darstellung im Rauschen unerkannt geblieben
wären.
Es ist insbesondere von Vorteil, daß eine Zuordnung
von Farbcodes und Helligkeitswerten nach dem Grad der
Abweichung der aufgenommenen Daten von der Referenz
messung erfolgt. Auf der Basis von Daten, die in
einem elektronischen Speicher hinterlegt und aus
diesem abgerufen werden, werden den Stützstellen In
formationen bezüglich der Farbe und der Helligkeit
zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt in Abhängigkeit von
den Abweichungen der gemessenen Werte zu der Referenz
messung. Je nach Grad der Abweichung und der Position
innerhalb der Kurve wird den Meßwerten ein entspre
chender Farb- und Helligkeitswert zugeordnet, so daß
ein Bild entsteht, das aufgrund der Form, Farbe und
Helligkeit eine einfache Auswertung bzw. Analyse der
Funktionsänderung zuläßt, da die Art der Informations
darstellung ein einfaches Erkennen auch kleinster
Abweichungen erlaubt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 weist Meßwertaufnehmer zur Datenaufnahme
und zur Umwandlung der aufgenommenen Parameter in
elektrische Signale auf. Weiterhin ist zumindest ein
Analog-Digitalwandler zur Digitalisierung der Signale
und Zuführung zu einer Speichereinheit vorgesehen.
Ebenfalls ist eine Vorrichtung zur Auswahl der jewei
ligen Meßwertaufnehmer vorgesehen, die üblicherweise
als Schalter oder eine Schaltung ausgebildet ist. Ein
mit dieser Auswahlvorrichtung verbundener, dynami
schen Programmspeicher paßt in Abhängigkeit von dem
ausgewählten Meßwertaufnehmer die Empfindlichkeit der
Auswerteeinheit an, wobei zweckmäßigerweise die
Korrekturdaten in dem Programmspeicher abgelegt sind.
In der Auswerteeinheit mit einer Auswertesoftware
werden die Signale entsprechend ihrer Abweichung von
den in der Speichereinheit hinterlegten Daten mit
Crominanz- und Luminanzwerten versehen und einem drei
dimensionalen Koordinatensystem zugeordnet. Die ein
zelnen Werte der digitalisierten Signale bilden dabei
Stützstellen, die zu einer geschlossenen Fläche
verbunden werden. In einer Steuerungseinheit werden
die ermittelten Bildpunkte für die jeweilige Ausgabe
einrichtung aufbereitet. Die Auswerte- oder Ausgabe
einrichtung übermittelt die Bildinformationen in Ge
stalt eines Farbbildes oder eines Farbausdruckes.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung ist ein Schal
ter zur Umstellung der Vorrichtung von einem Betriebs
modus in einen Einstellungsmodus vorgesehen, durch
den eine Referenzmessung initialisiert wird.
Anhand der Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungs
beispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines Temperaturver
laufs einer Flugzeugturbine;
Fig. 2 und 3 Darstellungen verschiedener Korrek
turdatenkurven;
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Vorrichtung;
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der Umgrup
pierung von Matritzenwerten;
Fig. 6 eine Darstellung unterschiedlicher
Phasen der Umgruppierung einer Diffe
renzmatrix;
Fig. 7 und 8 Blockschaltbilder der Signalverarbei
tung;
Fig. 9 eine Zusammensetzung verschiedener
Farbspektren in Abhängigkeit der
Abszissenwerte des gemessenen Parame
ters;
Fig. 10; 11 Blockschaltbilder der Signalverarbei
tung;
Fig. 12 eine Prinzipdarstellung der Zuord
nung von Stützstellen zu Raumkoordi
naten, sowie
Fig. 13-15 beispielhafte Darstellungen unter
schiedlicher Verarbeitungen der
gemessenen Parameter.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Temperaturver
laufs einer Flugzeugturbine beim Start in einer zwei
dimensionalen Darstellung, in der auf der Abszisse
die Zeitachse und auf der Ordinate die Temperatur auf
getragen sind. Die Kurve weist für eine Turbine beim
Start Kleinschwankungen in ihrem Verlauf auf, die zur
Analyse des Funktionsverhaltens herangezogen werden
können. Durch die nachfolgend beschriebene Vorrich
tung und das angewandte Verfahren ist es möglich,
Störungen, die zu einem Ausfall der Turbine führen
könnten, im Stadium ihres Entstehens zu erkennen und
Voraussagen über die Zuverlässigkeit bzw. die Be
triebssicherheit zu treffen.
In der Fig. 1 ist der gemessene Temperaturverlauf
über der Zeit aufgetragen, wobei der gemessene Parame
ter, hier die Temperatur, mit dem Index i bezeichnet
wird. Die analog aufgenommene Kurve wird digitali
siert, so daß sich die Anzahl von n P-Werten ergibt.
Die so digitalisierten Daten eines Parameters werden
auf der Grundlage einer Referenzmessung analysiert
und ausgewertet.
Grundsätzlich erfolgt dabei die Auswertung der gemes
senen Parameter analog zu dem in der DE-A-198 01 240
erläuterten Verfahren, statt der Analyse von
QRST-Gruppen in einem Zeitintervall werden hier
verschiedene Parameter eines Systems gemessen, wobei
die Anzahl der QRST-Gruppen durch eine entsprechende
Anzahl von Wiederholungen der Messung ersetzt wird.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Verläufe von Korrekturda
tenfunktionen, deren Funktion im Zusammenhang mit der
Errechnung von Bilddaten erläutert wird.
Das Blockschaltbild in Fig. 4 veranschaulicht die
Vorgehensweise bei einer Messung und das Procedere
bei der Berechnung der Bilddaten. Die Meßwertaufneh
mer 1, die für jeden zu untersuchenden Parameter
vorgesehen sind, nehmen die Daten auf und wandeln
diese in elektrische Signale um, falls die Meßwerte
nicht in Form elektrischer Signale vorliegen.
In der Bearbeitungseinrichtung 2 wird ggf. die Länge
der Messung festgelegt und das eingegangene Signal
der Meßwertaufnehmer verstärkt. Die Festlegung der
Meßdauer kann entweder vorbestimmt oder anhand eines
signifikanten Ereignisses, z. B. Zuschalten eines
Aggregates, Einschalten des Systems, Erreichen einer
bestimmten Temperatur, automatisch ausgelöst werden.
In einem Analog/Digitalwandler 3 werden die analog
vorliegenden Signale digitalisiert, so daß jeweils
eine bestimmte Anzahl von n Werten pro Messung und
Parameter zur Verfügung steht. In Fig. 4 sind dem
nach k Meßwertaufnehmer 1 dargestellt, die verschie
den Parameter messen und die digitalisierten Signale
des i-ten Digitalisierungsschrittes weiterleiten.
Die digitalisierten Werte P1i, P2i, . . . Pki werden über
einen Eingangsschalter zur Parametereinstellung S1
einer Speichereinheit 4 zugeführt, an die eine Auswer
teeinheit 5, bestehend aus einer Recheneinheit 6 mit
einer Auswertesoftware, einem damit verbundenen Pro
grammspeicher 7 sowie einem Schalter S2 und einem
dynamischen Programmspeicher 7-1, angeschlossen ist.
Der Schalter S1 ist dabei durch die Recheneinheit 6
gesteuert und stellt die Verbindung zwischen den je
weiligen A/D-Wandlern 3 der Meßwertaufnehmer 1 und
der Speichereinheit 4 her. In der Speichereinheit
sind somit n Werte von k Parametern aufgenommen, so
daß eine k × n-Matrix an P-Werten entsteht. Diese
Matrix wird nach einem in der Fig. 5 beschriebenen
Verfahren umgruppiert und mit anderen Indizes verse
hen, wobei der Index i die jeweilige Parameternummer
und der Index j die jeweilige Parameterwertnummer ver
körpert.
Von der Recheneinheit 6 werden die digitalisierten
Werte Pij an den Eingangfdes dynamischen Programmspei
chers 7-1 gesendet, sofern sich der Schalter S2 in
der Position "Einstellung", also in einem Einstel
lungsmodus befindet. In diesem dynamischen Programm
speicher 7-1 werden dann in einer ebenfalls
k × n-Matrix CGR eine entsprechende Anzahl von Werten
abgelegt. In dem Einstellungsmodus werden anschlie
ßend die vorhandenen Werte Cij nach der entsprechen
den Umgruppierung durch die Werte Pij ersetzt, in die
Tabelle CGR eingetragen und als neue die Parameter
für Bildberechnungsfunktionen an den Eingang des Pro
grammspeichers 7 gelegt. Auf diese Weise können Werte
einer Referenzmessung abgespeichert und der Beurtei
lung weiterer Messungen zugrunde gelegt werden. Eine
Neuberechnung der Werte Cij erfolgt also immer dann,
wenn sich die Vorrichtung im Einstellungsmodus befin
det.
Auf der Grundlage der in dem Einstellungsmodus gewon
nenen Daten wird ein topologisches Grundmodell er
stellt, das als Vergleichs- und Ausgangsmaß für die
weiteren Messungen dient.
Der Wert Ci des Parameterwertes j ist dabei der Durch
schnittswert über die Anzahl der durchgeführten Mes
sungen. Ausgehend von diesem Wert wird gemäß der
Fig. 2 und 3 ein Bereich ±δ festgelegt, innerhalb
dessen die Bildberechnungsfunktionen auf die aufgenom
menen Meßwerte eines Parameters angewendet werden.
Bei nur einem aufgenommenen Parameter kann der Be
trachtungsbereich und der Wert Ci in dem Programmspei
cher 7 fest einprogrammiert werden, da diese Werte
konstant bleiben. Bei der Betrachtung physiologischer
System, wie z. B. eines Herzens, ist der Wert δ ca. 10
bis 100mal der Amplitude der durchschnittlichen
Kleinschwankungen. Da bei der Messung mehrerer Parame
ter mit einer unterschiedlich großen Variationsbreite
der Schwankungen gerechnet werden muß, ist eine
entsprechende Anpassung notwendig, um einerseits eine
ausreichende Stabilität und andererseits eine mög
lichst hohe Empfindlichkeit zu erhalten. Die Variati
onsbreite der Bildberechnungsfunktionen ist dabei
durch die Grenzwerte Ci - δ und Ci + δ festgelegt.
Die Bildberechnungsfunktionen stellen jeweils eine
sich asymptotisch an einem Minimal- und Maximalwert
annähernde Funktion dar, jedoch mit unterschiedlichen
Steigungen, so daß eine Anpassung des Werte δ erfol
gen muß, um eine optimale Empfindlichkeit bezüglich
aller gemessener Parameter zu erhalten.
Wie aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 deutlich
wird, bliebe bei einer starren Festlegung von δ
entweder ein Bereich unberücksichtigt oder ein weiter
Bereich mit Grenzwerten ginge in die Betrachtung mit
ein.
Befindet sich der Schalter S2 in der Stellung
"Start", werden die in der Tabelle CGR enthaltenen,
bereits umgruppierten Werte Cij, die bei der Referenz
messung ermittelt wurden, dem Programmspeicher 7
zugeleitet und bei der Bildberechnung berücksichtigt.
Diese Werte Cij bilden quasi das Eichmaß, das bei der
Erstellung der nachfolgenden topologischen Modelle
verwendet wird, sofern sich der Schalter S2 in der
Stellung "Start" befindet.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Bildberechnung
anhand der Figuren dargestellt. Für jede Messung wird
zunächst mittels eines Hochpaßfilters eine Beseiti
gung der Kleinschwankungen vorgenommen, wobei als
Kleinschwankungen bspw. Veränderungen im Bereich von
0,5-1,5% von dem Maximalwert angesehen werden können.
Die Hochpaßfilterung ergibt nach der Digitalisierung
auch eine k × n-Matrix, allerdings ohne Kleinschwan
kungen. Diese Matrix Pfij wird von der Matrix Pij sub
trahiert, so daß eine Differenzmatrix Pdij entsteht,
in der nur die Kleinschwankungen enthalten sind.
Die ermittelte Differenzmatrix Pdij wird dergestalt
transponiert, daß die nahe beieinanderliegenden Werte
zu Gruppen oder Cluster zusammengefaßt werden. In der
Fig. 5 ist eine solche Umgruppierung der Matrix
dargestellt, wobei die linke Matrix die ermittelte
Differenzmatrix darstellt und die rechte Matrix die
fertig umgruppierte Matrix. Die verschiedenen Symbole
innerhalb der Matrix Pdij repräsentieren jeweils
gleiche Werte, hier die Werte 11, 17 und 21. Die
Matrix Pdij wird durch aufeinanderfolgende Transposi
tionen dergestalt umgeordnet, daß die jeweiligen
Werte (hier durch Symbole verdeutlicht) möglichst zu
Gruppen zusammengefaßt beieinanderstehen, so wie in
der rechten Matrix Pdij* in Fig. 5 dargestellt. Die
jeweiligen Werte bilden sogenannte Cluster und der
Vorgang der Umgruppierung oder das Transponieren ist
anhand der veränderten Spalten- und Zeilenindexierung
leicht zu erkennen. Die Reihenfolge der Transpositio
nen ist für jedes System und jeden Parameter verschie
den und wird im Verlauf einer Referenzmessung ermit
telt und als individuelle Funktion gespeichert.
Die Fig. 6 zeigt das Ergebnis der Umstellung der Dif
ferenzmatrix anhand der Darstellungen 1 bis 3, wobei
die Darstellung die Ausgangsdifferenzmatrix abbildet,
also das Signal vor der Umgruppierung. In der Darstel
lung 2 sind die Hälfte der Umstellungen vorgenommen
worden, so daß bereits erste Cluster sich abzeichnen.
Die Darstellung 3 in der Fig. 6 zeigt die endgültige
Variante der Transposition, bei der die jeweiligen
Werte optimal zu Clustern zusammengestellt wurden.
Die Transposition der Werte führt zu einer erhöhten
Ordnung innerhalb der Differenzmatrix, so daß man
auch von einer Verringerung der "Informationsentro
pie" durch die Bildung der Cluster sprechen kann. Ist
in der Darstellung 1 noch ein ungeordneter Zustand
der Werte vorhanden, H(1) nimmt also einen maximalen
Wert ein, verringert sich diese Unordnung mit zuneh
mender Umgruppierung, bis sie schließlich minimal
wird (H(3) = min).
Durch die Transposition der Differenzmatrix Pdij zur
Matrix Pdij*, wird aus den anfänglichen, auf den
ersten Blick zufälligen Kleinschwankungen eine innere
Struktur erkennbar. Ist diese Struktur konstant, daß
heißt, treten an den jeweiligen Stellen die gleichen
Schwankungen auf, wird sie sich bei der nächsten
Anwendung der ermittelten Reihenfolge der Transposi
tionen der Matrix Pdij wiederholen.
Die Verarbeitung der gemessenen Parameter mit der Aus
wertesoftware erfolgt nach einem als Blockschaltbild
in der Fig. 7 dargestellten Prinzip, wobei mittels
einer weiteren Prozedur die unstabilen, für die
Analyse der aufgenommenen Daten ungeeigneten Schwan
kungen entfernt werden. Das Signal Yi = Pdij* (i = 1,
. . ., k; j = 1, . . ., n), welches von den anderen Werten
Pdi1*, Pdi2*, . . ., Pdin* abhängt, wird an die Einheit
2-1 übermittelt, in dem die Autokorrelationsfunktion
Fkor_i der Datengruppe errechnet wird. Diese Funktion
zeigt an, ob eine Größe von einem eigenen Wert zu
einem früheren Zeitpunkt abhängt, also ob sie z. B.
versteckte Periodizitäten enthält. Scharfe Maxima
oder Minima werden dabei an denjenigen Stellen ange
zeigt, die Perioden oder Antiperioden des Vorgangs
entsprechen. Diese Funktion wird an den ersten der
zwei Eingänge des Blockes 2-2 weitergeleitet.
Der zweite Eingang wird mit der Funktion Fkor_E beauf
schlagt, die in dem Programmspeicher 7 hinterlegt ist
und als das Normal zum Vergleich herangezogen wird.
Die Funktion Fkor_E ist eine als Referenz aufgenomme
ne, bezüglich der Autokorrelation bearbeitete Mes
sung, die für jeden zu Untersuchenden erstellt wird.
Auf der Grundlage dieser Referenzmessung werden in
der Einheit 2-2 werden die Funktionen Fkor_i und
Fkor_E nach definierten Kriterien miteinander vergli
chen. Da die Signifikanz der Veränderungen des physio
logischen Systems anhand von Kleinstschwankungen
innerhalb der aufgenommenen Signale deutlich wird,
werden diejenigen Signale herausgefiltert, die eine
zu große Differenz zu der Referenzmessung aufweisen.
Auf diese Weise werden die beiden Funktionen nur
innerhalb eines vorab festgelegten Bereiches miteinan
der verglichen. Bei nichtvorhandener Ähnlichkeit,
also bei zu großen Abweichungen der untersuchten
Signale von der Referenzmessung, wird die Weiterver
arbeitung des Signals gestoppt.
Liegt Ähnlichkeit nach den vorgegebenen Kriterien
vor, wird das Signal Yi in der Einheit 2-3 weiterver
arbeitet. An einem zweiten Eingang der Einheit 2-3
wird eine Vergrößerungsfunktion Dim mit einem Vergrö
ßerungsfaktor m angelegt, der ebenfalls in dem Pro
grammspeicher 7 abgelegt ist. Aus dem Signal Yi und
dem Vergrößerungsfaktor wird ein auf einen festgeleg
ten Bereich verstärktes, also ein normiertes Signal
erstellt. Dieses verstärkte Signal wird anschließend
an die Einheit 2-4 weitergeleitet.
In der Fig. 8 ist anhand eines Blockschaltbildes die
Zuordnung des Farbcodes dargestellt. Das normierte
Signal Yi wird in einem weiteren Schritt mit Farban
teilen verknüpft, die in Tabellen abgelegt sind.
Diese Tabellen enthalten n Spalten und drei Zeilen,
wobei die letzteren einem roten (R), grünen (G) und
blauen (B) Farbanteil entsprechen. In dem gewählten
Beispiel liegen 1024 Werte des Signals Yi vor. Jeder
der 1024 Werte repräsentiert den Wert der Abweichung
an einer bestimmten Stelle des Zeitbereiches T und
kann somit einem bestimmten Bereich der Herzmuskelak
tivität zugeordnet werden, beispielsweise dem Bereich
der S-Zacke.
Jeden dieser 1024 Werte wird dann ein Farbwert zuge
ordnet, der aus einem bestimmten Bereich eines Farb
spektrums ausgewählt wird. Die Werte Col(i) in den
Farbtabellen werden dem jeweiligen Signal Yi zugeord
net, so daß am Ausgang der Einheit 2-4 drei sekundäre
Farbcodes Ri, Gi, und Bi dem Signal Yi zugeordnet
sind. Dies bedeutet, daß jedem Punkt der Matrix Pdij*
ein eigener Farbwert zugeordnet wird; für jeden der
1024 Werte wird aus einem für den jeweiligen Bereich
des Signals zugeordneten Farbsprektrum ein Farbwert
aus den Anteilen R (Rot), G (Gelb) und B (Blau)
ermittelt.
Die Auswahl aus diesem Farbspektrum erfolgt in Abhän
gigkeit von der Abweichung zur Referenzkurve; d. h.
ein Farbwert variiert, wenn die Abweichung sich
verändert. Die Farbwerts sind in Tabellenform in dem
Programmspeicher 7 abgelegt und werden dem jeweiligen
Wert zugeordnet. Durch eine entsprechende Farbaus
wahl, einen Spektralverlauf und eine angepaßte Auflö
sung wird eine zuverlässige Unterscheidung bei
kleinsten Differenzen ermöglicht und so eine Empfind
lichkeitserhöhung bei der Erkennung von kleinsten
Veränderungen bewirkt.
Fig. 9 zeigt einen schematischen Verlauf von drei
Farbspektren P, T und S, die jeweils einem Parameter
zugeordnet werden; beispielsweise werden dem P-Wert
die Farbe Grün, dem T-Wert die Farbe Gelb und dem
S-Wert die Farbe Blau zugeordnet. Über der Abszisse
ist der jeweilige Verlauf der Farbanteile Gelb, Rot
und Blau aufgetragen, wobei die Auswahl der Abszissen
werte in Abhängigkeit von der Größe des Signals Pdij*
erfolgt. Ist beispielsweise keine Abweichung für den
Wert P feststellbar, wird ein Farbspektrum in der
Zusammenstellung von 0 ausgewählt. Bei einem sehr
großen Wert für die Abweichung des Wertes P ist ein
Wert von 90 vorgesehen. Bei einer größeren Auflösung
sind entsprechend andere Schrittweiten zu wählen.
Die Weiterverarbeitung des nunmehr mit einem Farbcode
versehenen Signals Yi in der Einheit 3-1 ist in der
Fig. 10 dargestellt. Die Einheit 3-1 enthält eine
in dem Programmspeicher 7 abgelegte 3D-Tabelle mit
drei Zeilen, die jeweils einer Raumdimension X, Y und
Z entsprechen, und p Spalten (p ≦ K, mit K = Anzahl der
Messungen). Das mit dem Farbcode versehene Signal Yi
wird mit den Komponenten Xr, Yr und Zr verknüpft, die
die Ausgangskoordinaten für das Signal Yi in einem
simulierten Raum darstellen.
Auch hier werden analog zu dem beschriebenen Verfah
ren der Farbcodezuordnung bestimmten Bereichen des
gemessenen Parameters bestimmte Raumareale eines
vorab festgelegten Grundmodells oder Grundkörpers
zugeordnet. Je nach der Größe des Wertes Yi wird ein
von dem Grundmodell abweichender Wert für die Raumko
ordinaten Xr, Yr und Zr zugeordnet. Durch die von dem
Grundmodell abweichenden Raumkoordinaten wird ein in
dividuelles Bild erzeugt, daß die Kleinstschwankungen
des gemessenen Parameters wiedergibt. Es wird somit
ein Portrait des untersuchten Parameters erstellt,
das die Veränderungen des Systemzutandes als individu
elle Darstellung wiedergibt, die in Form und Farbe,
je nach den gemessenen Veränderungen, variiert.
Die Koordinaten Xr, Yr und Zr werden an drei Eingänge
der Einheit 3-2 weitergeleitet, an deren vierten
Eingang das Signal Yi und der entsprechende Wert Ci
aus dem dynamischen Programmspeicher 7-1 anliegt. Aus
diesen Größen werden, analog zu dem bei der Farbzuord
nung beschriebenen Verfahren, die Koordinaten Xr*,
Yr* und Zr* gebildet:
Xr* = Xr + F_X(Yi, Ci)
Yr* = Yr + F_Y(Yi, Ci)
Zr* = Zr + F_Z(Yi, Ci)
Yr* = Yr + F_Y(Yi, Ci)
Zr* = Zr + F_Z(Yi, Ci)
Die so ermittelten Koordinaten Xr*, Yr* und Zr*
werden in der Einheit 3-3 auf eine Fläche projiziert,
so daß die 3D-Animation auf einem Bildschirm oder
einem Drucker ausgebbar wird. Bei entsprechender
Geräteausstattung ist auch eine bewegliche Darstel
lung auf einem Monitor möglich. Neben den Koordinaten
liegen an der Einheit 3-3 Signale F1 bis Fq an, die
beispielsweise Informationen über die Stellung des
Beobachters, Parameter des Ausgabesystemes oder den
Objektivfocus vorgeben.
Am Ausgang der Einheit 3-3 werden den Signalen eine
Vertikal- und Horizontalkomponente (YDi und XDi) eine
Luminanzfunktion (LHTi) zugeordnet, um eine Bilddar
stellung zu ermöglichen..
In der Fig. 11 ist in einem Blockschaltbild die
Ermittlung der Bildwerte in der Umgebung der Stütz
stellen dargestellt, die prinzipiell dem Verfahren
der Zuordnung von Raumkoordinaten in der Einheit 3-1
verläuft. Die für eine geschlossene Oberflächendar
stellung benötigten Zwischenwerte (Z1i, Z2i . . . Z),
werden analog zu den oben beschriebenen Verfahren er
mittelt, wobei die 3D-Tabelle auf der Grundlage der p
Spalten in Block 3-1 in Fig. 10 um den Vergrößerungs
faktor m vergrößert wird, also p * m Spalten vorliegen.
Die Interpolation zwischen den jeweiligen Punkten
erfolgt nach bekannten Algorithmen, im einfachsten
Fall durch lineare Interpolation. Schematisch ist
diese Interpolation in der Fig. 11 unten rechts
veranschaulicht, wo die Bildpunkte 1i bis mi um den
Punkt i herum dargestellt sind. Entsprechend werden
die übrigen interpolierten Punkte um die anderen
Stützstellen ermittelt.
Die jeweiligen Funktionen zur Berechnung der Werte,
also welche Farbwerte dem jeweiligen Signalwert zuge
ordnet werden, wie die Raumkoordinaten zu dem jeweili
gen Wert errechnet werden oder welche Helligkeitswer
te vergeben werden, sind in dem Programmspeicher 7
abgelegt und werden auf der Basis der Referenzmessung
oder anderer Vergleichsdaten ermittelt. Die Errech
nung der Raumkoordinaten und die Zuordnung der Hellig
keitswerte erfolgt parallel.
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung der Raum
koordinatenzuordnung in einer ausgewählten Ebene.
Ausgehend von einem Grundmodell F werden aufgrund der
errechneten Werte Pd*ij-1, Pd*i1 und Pd*ij+1 neue
Raumkoordinaten zugeordnet, die als Stützstellen zur
Bildung eines geschlossenen Kurvenzuges in einer
Ebene dienen. Entsprechend werden die Werte für alle
Ebenen gebildet, so daß sich eine räumliche Darstel
lung ergibt.
Auf die oben beschriebene Weise lassen sich die Infor
mationen, die in einer Messung gewonnen werden,
plastisch und farbig darstellen. Eine solche Darstel
lung ist mit einem Mikroskop vergleichbar, das vorhan
dene Informationen, die zunächst der unmittelbaren
Wahrnehmung entzogen sind, einem Beobachter zugäng
lich macht. Die Kleinschwankungen innerhalb einer
Messung eines gestörten Systems unterscheiden sich
von den Kleinschwankungen eines optimalen Systems,
bzw. eines Referenzsystems. Auf der Basis der Refe
renzmessung werden diese Kleinschwankungen, die bei
anderen Meßverfahren in dem Signalrauschen untergin
gen, in dem oben beschriebenen Verfahren sichtbar ge
macht.
Die, wie beschrieben, ermittelten Bilddaten werden in
einer Steuerungseinheit 8 für die jeweilige Auswerte-
oder Anzeigeeinheit, beispielsweise einen Farbdrucker
oder einen Monitor, aufbereitet und so dem Nutzer
sichtbar gemacht. Selbstverständlich können solche
Bilder gespeichert oder über Datenleitungen übermit
telt werden.
Fig. 13 zeigt eine beispielhafte, topologische
Darstellung einer Messung eines Atomreaktors mit 45
Parametern, bei dem eine allgemeine Durchschnittstem
peratur Ci angenommen wurde. Der Bereich δ wurde
relativ groß gewählt, um alle Parameter berücksichti
gen zu können.
Fig. 14 zeigt eine topologische Darstellung der
gleichen Messung, jedoch wurde der Verstärkungsfaktor
verdoppelt; lediglich eine geringfügige Veränderung
der Empfindlichkeit ist feststellbar.
Die Darstellung der Fig. 15 wurde mit dem oben be
schriebenen Verfahren erstellt. Die Größe δ wurde
dabei jeweils möglichst klein gewählt, um eine hohe
Empfindlichkeit zu gewährleisten und eine große
Verstärkung zuzulassen. Der Fig. 15 ist eine wesent
lich schärfere Konturierung und Kontrastierung zu
entnehmen, was eine bessere Diagnose des untersuchten
Systems zuläßt.
Claims (19)
1. Verfahren zur Darstellung und Überwachung zumin
dest zweier Funktionsparameter eines techni
schen Systems,
gekennzeichnet durch
- a) Durchführung einer Referenzmessung zur Er mittlung von Referenzmeßwerten für die Funktion sparameter des technischen Systems,
- b) Filterung der Referenzmeßwerte zur Unter drückung kurzzeitiger Schwankungen;
- c) Durchführung zumindest einer weiteren Mes sung der Funktionsparameter zur Ermittlung von Meßwerten des technischen Systems zu einem späteren Zeitpunkt,
- d) Filterung der Meßwerte zur Unterdrückung kurzzeitiger Schwankungen,
- e) Bestimmung der Differenz Pd zwischen den ge filterten Referenzmeßwerten und den Meßwerten,
- f) Vergleichen der Meßsignale des technischen Systems mit den Referenzmeßsignalen und
- g) Umwandeln der Meßsignale in Bilddaten eines topologischen Modells in funktionaler Abhängig keit von der Abweichung zu der Referenzmessung, wobei
- h) bei der Umwandlung in Bilddaten des topologi schen Modells eine Empfindlichkeitsanpassung in Abhängigkeit von dem Funktionsparameter er folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensibilitätsregulierung
durch eine Verknüpfung der digitalisierten
Signale mit in einem dynamischen Programmspei
cher (7-1) abgelegten Korrekturdaten erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Korrekturdaten auf der Grundlage
der Referenzmessung errechnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Korrekturdaten für jeden
Parameter getrennt ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Korrekturdaten in
Abhängigkeit von dem Verlauf der Abweichung der
Messung zu der Referenzmessung bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Korrekturdaten
auf der Grundlage des Mittelwertes der Amplitu
de der Kleinschwankungen errechnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß um den Mittelwert der Amplitude der
Kleinschwankungen ein variabler Bereich ±δ
festgelegt wird, innerhalb dessen die Korrektur
daten verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß der variable Bereich ±δ in einem
Bereich von 500 bis 1000mal der durchschnittli
chen Höhe der Kleinschwankungen festgelegt
wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufge
nommenen Signale einer Messung digitalisiert,
durch einen Hochpaßfilter geleitet und von den
ungefilterten Signalen subtrahiert werden,
wobei die so gewonnenen Signale entsprechend
ihrem Wert gruppiert werden und daß die Reihen
folge der Umgruppierung für jeden gemessenen
Parameter des Systems gespeichert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Reihenfolge der Umgruppierung im
Verlauf einer Referenzmessung ermittelt und auf
nachfolgende Analysezyklen zur Ermittlung von
Veränderungen des Systems angewendet wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitspan
ne für eine Messung festgelegt wird, innerhalb
der die Funktionsparameter aufgenommen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß als Beginn der Zeitspanne ein signifi
kantes Ereignis festgelegt wird.
13. Verfahren einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß alle vollständigen
Messungen über eine Zeitspanne bei der Bildbe
rechnung berücksichtigt werden.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß Störgrößen
durch eine Korrelation mehrerer Messungen elimi
niert werden.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuordnung
von Farbcodes und Helligkeitswerten nach dem
Grad der Abweichung der aufgenommenen Meßsigna
le von der Referenzmessung erfolgt.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, mit Meßwertaufnehmern (1), die
die aufgenommenen Funktionsparameter in elektri
sche Meßsignale umsetzen, zumindest einem Ana
log-Digitalwandler (3) zur Digitalisierung der
Signale und einer Speichereinheit (4), die die
digitalisierten Nießsignale einer Auswerteein
heit (5, 6, 7) zur Erzeugung eines Ausgabesi
gnals zuleitet, gekennzeichnet durch eine
Vorrichtung (S1) zur Auswahl der jeweiligen Meß
wertaufnehmer (1) und einem damit verbundenen,
dynamischen Programmspeicher (7-1), der in Ab
hängigkeit von dem ausgewählten Meßwertaufneh
mer (1) die Empfindlichkeit der Auswerteeinheit
(5) anpaßt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Auswerteeinheit (5, 6, 7,
7-1)) eine Software zur Erzeugung eines dreidi
mensionalen, farbigen Bildes mit einer geschlos
senen Oberfläche auf der Grundlage der aufgenom
menen und ausgewerteten Parameter aufweist,
eine Steuerungseinheit (8) für die Aufbereitung
der ermittelten Bildpunkte sowie eine Auswerte-
oder Ausgabeeinrichtung (9).
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem dynamischen Programm
speicher (7-1) Korrekturdaten zur Anpassung der
Empfindlichkeit der Auswerteeinheit abgelegt
sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
gekennzeichnet durch einen Schalter (S2) zur Um
stellung der Vorrichtung von einem Betriebsmo
dus in einen Einstellungsmodus.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999161631 DE19961631A1 (de) | 1999-12-14 | 1999-12-14 | Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung von Funktionsparametern eines technischen Systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999161631 DE19961631A1 (de) | 1999-12-14 | 1999-12-14 | Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung von Funktionsparametern eines technischen Systems |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19961631A1 true DE19961631A1 (de) | 2001-06-28 |
Family
ID=7933542
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999161631 Withdrawn DE19961631A1 (de) | 1999-12-14 | 1999-12-14 | Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung von Funktionsparametern eines technischen Systems |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19961631A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1221106A2 (de) | 1999-07-14 | 2002-07-10 | Werner Gillessen | Verfahren und vorrichtung zur darstellung und überwachung von funktionsparmetern |
DE10241746B4 (de) * | 2002-09-10 | 2007-06-06 | Haag, Günter, Prof.Dr. | Verfahren zur zyklischen Qualitätsbewertung und Prozessüberwachung bei periodischen Produktionsprozessen |
WO2019042671A1 (de) | 2017-09-01 | 2019-03-07 | Siemens Mobility GmbH | Verfahren zur untersuchung eines funktionsverhaltens einer komponente einer technischen anlage, computerprogramm und computerlesbares speichermedium |
-
1999
- 1999-12-14 DE DE1999161631 patent/DE19961631A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10241746B8 (de) * | 2002-09-10 | 2007-09-20 | Haag, Günter, Prof.Dr. | Verfahren zur zyklischen Qualitätsbewertung und Prozessüberwachung bei periodischen Produktionsprozessen |
WO2019042671A1 (de) | 2017-09-01 | 2019-03-07 | Siemens Mobility GmbH | Verfahren zur untersuchung eines funktionsverhaltens einer komponente einer technischen anlage, computerprogramm und computerlesbares speichermedium |
DE102017215341A1 (de) * | 2017-09-01 | 2019-03-07 | Siemens Mobility GmbH | Verfahren zur Untersuchung eines Funktionsverhaltens einer Komponente einer technischen Anlage, Computerprogramm und computerlesbares Speichermedium |
US11609830B2 (en) | 2017-09-01 | 2023-03-21 | Siemens Mobility GmbH | Method for investigating a functional behavior of a component of a technical installation, computer program, and computer-readable storage medium |
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