DE19961631A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung und Überwachung von Funktionsparametern eines technischen Systems - Google Patents

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 Pf_ij wird von der Matrix P_ij sub­ trahiert, so daß eine Differenzmatrix Pd_ij entsteht, in der nur die Kleinschwankungen enthalten sind.

Die ermittelte Differenzmatrix Pd_ij 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 Pd_ij 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 Pd_ij* 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 Pd_ij zur Matrix Pd_ij*, 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 Pd_ij 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 Pd_ij* 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 Pd_ij* 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)

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.