СИСТЕМА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕДСКАЗУЕМОСТИ ПОВЕДЕНИЯ УСТРОЙСТВ В УСЛОВИЯХ НЕАДЕКВАТНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области обработки данных для специальных применений, в частности, для моделирования и исследования с использованием методов нечетких множеств предсказуемости поведения сложных электронных устройств в условиях неадекватного функционирования составляющих элементов.
Известно устройство, содержащее блоки двух типов, локальные контроллеры, соединенные с этими устройствами, центральный контроллер и устройство выдачи карточек [Патент США №5225977, кл. G 06 F 15/30].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является система обработки информации, содержащая устройство обработки информации, содержащее элементы идентифицирующей информации, средство вывода идентифицирующей информации, средство сравнения, средство избирательного приема, а также первое и второе средство обработки данных с соответствующими связями [RU, 2236703, С 2, G 06 F 19/00,20.09.2004].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, оно позволяет осуществлять обработку информации, но не позволяет моделировать и оценивать последствия неадекватного функционирования элементов на работу сложных электронных устройств в целом.
Устройства и системы, обладающие предсказуемым поведением в условиях неадекватного функционирования элементов, относятся к различным типам (аналоговые, цифровые, смешанные и т.д.) и классам (вычислительные, информационные, телекоммуникационные).
Областями применения, для которых это понятие значимо, являются различные сферы экономики, производства, управления, связи и телекоммуникаций.
Основными сферами применения устройств и систем, в которых цена и объем последствий из-за неадекватного функционирования элементов является существенной, являются исследования и практические работы, требующие применения автоматических аппаратов и систем, автоматизированных систем контроля и управления, технологий и процессов реального времени (системы управления воздушным движением, транспорт, вычислительные центры коллективного пользования, банковские системы и т.д.), телекоммуникационных систем массового применения, систем связи и передачи данных, электронных средств массовой информации и т.д.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее блок обработки информации, введены, блок задания информационных параметров элементов, информационный выход которого соединен с входом блока обработки информации, группа блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов, группа входов которого соединена с группой выходов блока обработки информации, блок минимаксных оценок, группа входов которого соединена с группой выходов группы блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов, блок регистров, информационная группа входов которого соединена с группой выходов блока минимаксных оценок,
а тактовый вход - соединен с тактовым выходом блока задания информационных параметров элементов, и группа блоков формирования значений функций принадлежности состояниям устройства, группа входов которого соединена с группой выходов блока регистров, а группа выходов является группой выходов устройства.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, группа блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов выполнена в виде n блоков формирования значений функций принадлежности, группы входов которых объединены и являются группой входов группы блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов, а выходы блоков формирования значений функций принадлежности являются группой выходов группы блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, число n блоков формирования значений функций принадлежности группы блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов равно трем.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, блок обработки информации выполнен в виде первого, второго, третьего и четвертого блоков сравнения, входы которых объединены и являются входом блока обработки информации, первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом «Больше» первого блока сравнения, а второй вход - соединен с выходом «Меньше» второго блока с равнения, второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом «Больше» второго блока сравнения, второй вход - соединен с выходом «Меньше» третьего блока с равнения, а выход - является первым выходом группы выходов блока обработки информации, третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом «Больше» третьего блока сравнения, а второй вход - соединен с выходом «Меньше» четвертого блока с равнения, первого
элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход - соединен с выходом третьего элемента И, а выход - является вторым выходом группы выходов блока обработки информации, а также второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом «Меньше» первого блока сравнения, второй вход - соединен с выходом «Больше» четвертого блока сравнения, а выход - является третьим выходом группы выходов блока обработки информации.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, блок задания информационных параметров элементов выполнен в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов и первого счетчика импульсов, выход которого является выходом блока задания информационных параметров элементов, а также второго счетчика импульсов, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход переполнения - соединен с входом останова генератора тактовых импульсов и является тактовым выходом блока задания информационных параметров элементов.
На чертеже представлены:
на фиг.1 - структурная электрическая схема системы для моделирования предсказуемости поведения устройств в условиях неадекватного функционирования элементов; на фиг.2 - группы блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов; на фиг.3 - блока обработки информации; на фиг.4 - блока задания информационных параметров элементов; на фиг.5 - блока формирования минимального (максимального) сигнала.
Система для моделирования предсказуемости поведения устройств в условиях неадекватного функционирования элементов (фиг.1) содержит блок 1 обработки данных, блок 2 задания информационных параметров элементов, информационный выход которого соединен с входом блока 1 обработки информации, группу блоков 3 формирования значений функций
принадлежности режимам функционирования элементов, группа входов которого соединена с группой выходов блока 1 обработки информации, блок 4 минимаксных оценок, группа входов которого соединена с группой выходов группы блоков 3 формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов, блок 5 регистров, информационная группа входов которого соединена с группой выходов блока 4 минимаксных оценок, а тактовый вход - соединен с тактовым выходом блока 2 задания информационных параметров элементов, и группа блоков 6 формирования значений функций принадлежности состояниям устройства, группа входов которого соединена с группой выходов блока 5 регистров.
Группа 6 блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов (фиг.2) в частном случае при числе режимов функционирования элементов, равном трем, выполнена в виде блоков 3-1, 3-2...3-3 формирования значений функций принадлежности, группы входов которых объединены и являются группой входов группы 6 блоков формирования значений функций принадлежности, а выходы блоков 3-1, 3-2...3-3 формирования значений функций принадлежности являются группой выходов группы 3 блоков формирования значений функций принадлежности режимам функционирования элементов.
Блок 1 обработки информации (фиг.3) выполнен в виде первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 10 блоков сравнения, входы которых объединены и являются входом блока 1 обработки информации, первого элемента И 11, первый вход которого соединен с выходом «Больше» первого блока 7 сравнения, а второй вход - соединен с выходом «Меньше» второго блока 8 с равнения, второго элемента И 12, первый вход которого соединен с выходом «Больше» второго блока 8 сравнения, второй вход - соединен с выходом «Меньше» третьего 9 блока с равнения, а выход - является первым выходом группы выходов блока 1 обработки информации, третьего элемента И 13, первый вход которого соединен с выходом
«Больше» третьего блока 9 сравнения, а второй вход - соединен с выходом «Меньше» четвертого блока 10 сравнения, первого элемента ИЛИ 14, первый вход которого соединен с выходом первого элемента И 11, второй вход - соединен с выходом третьего элемента И 13, а выход - является вторым выходом группы выходов блока 1 обработки информации, а также второго элемента ИЛИ 15, первый вход которого соединен с выходом «Меньше» первого блока 4 сравнения, второй вход - соединен с выходом «Больше» четвертого блока 10 сравнения, а выход - является третьим выходом группы выходов блока 1 обработки информации.
Блок 2 задания информационных параметров элементов (фиг.4) выполнен в виде последовательно соединенных генератора 16 тактовых импульсов (ГТИ) и первого счетчика 14 импульсов, выход которого является информационным выходом блока 2 задания информационных параметров элементов, а также второго счетчика 17 импульсов, вход которого соединен с выходом ГТИ 16, а выход переполнения - соединен с входом останова ГТИ 16 и является тактовым выходом блока 2 задания информационных параметров элементов.
Блок 4 минимаксных оценок (фиг.1) содержит первый 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 блоки выделения минимальных сигналов, первый 4-4, второй 4-5 и третий 4-6 блоки выделения максимальных сигналов.
Блок 5 регистров (фиг.1) содержит регистры 5-1...5-6 памяти, информационные входы которых являются группой информационных входов блока 6 регистров, а тактовые входы - являются тактовым входом блока 6 регистров.
Блок 6 формирования значений функций принадлежности состояниям устройства (фиг.1) в частном случае при числе состояний устройства, равном трем, выполнен в виде блоков 6-1, 6-2...6-3 формирования значений функций принадлежности, группы входов которых объединены и являются группой входов группы 6 блока формирования значений функций принадлежности состояниям устройства, а выходы блоков 6-1, 6-2, 6-3
формирования значений функций принадлежности являются группой выходов блока 6 формирования значений функций принадлежности состояниям устройства.
Блок формирования минимального (максимального) сигнала (фиг.5) содержит блок 19 сравнения и регистр 20, информационный вход которого объединен с первым входом бока 19 сравнения, выход «Меньше» («Больше») которого соединен с управляющим входом регистра 20, выход которого соединен со вторым входом блока 19 сравнения и является информационным входом блока формирования минимального (максимального) сигнала.
Блоки являются стандартными элементами вычислительной техники.
Блоки 3-1, 3-2, 3-3 и 6-1, 6-2, 6-3 могут быть выполнены в виде специализированных устройств вычислительной техники, а в частном случае - в виде программируемых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), в которых каждому из заданных кодов на входе соответствуют требуемые коды на выходе. Приведенный ниже пример работы устройства достаточен для их технической реализации (изготовления, программирования).
Остальные элементы являются стандартными элементами вычислительной и цифровой техники.
Работает система для моделирования предсказуемости поведения устройств в условиях неадекватного функционирования элементов следующим образом.
Предварительно проведем теоретическое обоснование алгоритма работы системы.
Для элементов сложных электронных устройств, работающих в условиях неадекватного функционирования составляющих элементов.
Введем множество M(i), элементы которого являются интервалами качественной шкалы и соответствуют возможным режимам работы i-ых
элементов сложных электронных устройств, подвергающихся внешним и внутренним воздействиям:
M(i)={«нормальный режим», «критический режим», «аварийный режим (отказ)»},
где i - индекс элемента сложного устройства.
Множество M(i) служит основой для принятия решений в процессе анализа на предсказуемость поведения сложных электронных устройств в условиях неадекватного функционирования составляющих элементов.
Основным признаком функционирования элемента устройства в «нормальном режиме» будет выполнение им своих основных функций при нахождении значения Х некоторого информационного параметра, например, физического параметра (ФП), характеризующего выполнение основной функции элемента устройства, в диапазоне: [Х мин.норм. - Х макс.норм.], который определяется разработчиком исходя из схемотехнических и надежностных характеристик.
Нахождение значения ФП в диапазонах [Х мин.крит. - Х мин.норм.] и [Х мин.норм. - Х макс.крит.] соответствует «критическому режиму», а в случае Х<Х мин.крит. и Х>Х макс.крит. соответствует «аварийному режиму».
Влияние последствий внутренних и внешних воздействий на элементы сложных электронных устройств, в результате которых физические параметры будут принимать те или иные значения, могут быть охарактеризованы количественно значениями (в интервале 0...1) функций принадлежности FP соответствующим режимам.
В качестве примера в таблице приведены значения функции принадлежности для исходных значений ФП.
Значения ФП (X)
Значение FP (нормальный режим)
Значение FP (критический режим)
Значение FP (аварийный режим)
<Х мин.крит.
0
0
1
Х мин.крит. -
0,1
0,9
0,2
X мин.норм.
Х мин.норм. -
1
0
0
Х макс.норм.
Х мин.норм. -
0,1
0,9
0,2
Х макс.крит.]
>Х макс.крит.
0
0
1
Введем также множество N элементы которого являются состояниями устройства и выражаются качественными понятиями
M(i)={«нормальное состояние», «критическое состояние», «аварийное состояние (отказ)»},
Экспертные оценки позволяют сформировать заключения о состоянии работы устройства по минимальным и максимальным значениям функций принадлежности режимам функционирования элементов на некотором интервале работы устройства (или при некоторм интервале значений физическихз параметров элементов).
Рассмотренный подход реализуется в предложенной системе для моделирования предсказуемости поведения устройств в условиях неадекватного функционирования элементов следующим образом.
Работа устройства начинается с установки первого 17 и второго 18 счетчиков импульсов в исходное состояние например, по цепям питания, которые являются несущественными признаками в рамках данной заявки и на чертеже не показаны, а также с запуском ГТИ 16. Первый счетчик 17 импульсов может работать в режимах суммирования и вычитания, в зависимости от моделируемых изменений ФП во времени. Этот счетчик производит подсчет импульсов ГТИ 16, что приводит к формированию на его выходе условных значений физического параметра элементов устройства.
Выход одного из разрядов второго счетчика 18, например, младшего или старшего (выход переполнения счетчика), соединен с входом останова ГТИ 16, что при активизации соответствующего разряда приводит к останову работы системы в целом. Кроме того, тот же сигнал используется как тактовый (управляющий) сигнал для управления регистрами 5-1...5-6 блока 5 регистров.
Формируемый на выходе блока 2 сигнал, соответствующий текущему значению физического параметра элемента сложного электронного устройства, поступает на входы первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 10 блоков сравнения блока 1 обработки информации. На опорный вход первого блока 7 сравнения подается сигнал, соответствующий левой границе левого интервала критического режима Х мин.кр., на опорный вход второго блока 8 сравнения - левой границы интервала нормального режима Х мин.норм., на опорный вход третьего блока 9 сравнения - правой границы интервала нормального режима, а на опорный вход четвертого блока 10 сравнения - правой границы левого интервала критического режима. Поэтому при нахождении текущего значения физического параметра элемента в интервале, соответствующему нормальному режиму, сигнал логической единицы формируется на выходе второго элемента И 12, соответствующему первому выходу 1-1 блока 1 обработки информации, при уровнях логического нуля на втором 1-2 и третьем 1-3 выходах. При нахождении текущего значения физического параметра элемента в левом или в правом интервалах, соответствующих критическому режиму, сигнал логической единицы формируется на выходе первого элемента ИЛИ 14, соответствующему второму выходу 1-2 блока 1 обработки информации, при уровнях логического нуля на первом 1-1 и третьем 1-3 выходах. И, наконец, при нахождении текущего значения физического параметра элемента в левом или в правом интервалах, соответствующих аварийному режиму, сигнал логической единицы формируется на выходе второго элемента ИЛИ 15, соответствующему третьему выходу 1-3 блока 1 обработки информации, при уровнях логического нуля на первом 1-1 и втором 1-2 выходах.
Первый 1-1, второй 1-2 и третий 1-3 выходы блока 1 образуют единую группу выходов блок 1 обработки информации, сигнал от которых подается на группу входов блока 3 формирования значений функций принадлежности. При использовании трех блоков (первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 блоков формирования функций принадлежности), рассматриваемом в качестве примера, на выходе первого блока 3-1 формируется значение функции принадлежности текущего значений физического параметра нормальному режиму, на выходе второго блока 3-2 -критическому режиму, а на выходе третьего блока 3-3 - аварийному режиму. Для программирования блоков 3-1, 3-2 и 3-3 при их изготовлении в виде ПЗУ может быть использована приведенная выше таблица. Она является таблицей соответствия выходных кодов ПЗУ входным.
Меняя частоту формирования импульсов ГТИ 16, начальное состояние первого счетчика 17 импульсов, его объем и режимы счета (прямое и инверсное) может быть проведено моделирование неадекватного поведения элементов сложных электронных устройств с получением нечетких оценок их состояния в различных режимах. Меняя начальное состояние второго счетчика 18 можно регулировать время моделирования (исследования) устройства или, что эквивалентно, интервал изменений физических параметров элементов.
Сигналы с выхода блока 3-1 (значение функции принадлежности текущего значений физического параметра нормальному режиму) поступает на входы блоков 4-1 и 4-4, сигнал с выхода блока 3-2 (значение функции принадлежности текущего значений физического параметра критическому режиму), поступает на входы блоков 4-2 и 4-5, сигнал с выхода третьего блока 3-3 (значение функции принадлежности текущего значений физического параметра аварийному режиму) - на входы блоков 4-3 и 4-6.
На выходах блоков 4-1, 4-2, 4-3 формируются минимальные значения соответствующих сигналов на всем интервале их изменений, а на выходе блоков 4-4, 4-5 и 4-6 - максимальные значения соответствующих сигналов.
По окончании времени моделирования (исследования), задаваемого параметрами второго счетчика 18, тактовый сигнал с его выхода останавливает ГТИ 16 и фиксирует в регистрах 5-1...5-6 значения сигналов, сформированных на выходах соответствующих (одноименных) им блоков 4-1...4-6.
Сигналы с выходов регистров 5-1...5-6 поступают на входы блоков 6-1, 6-2...6-3 формирования значений функций принадлежности значениям состояний устройства.
Первый блок 6-1 формирует значение функции принадлежности нормальному состоянию работы устройства, второй блок 6-2 - функции принадлежности критическому состоянию работы устройства, третий блок 6-3 - функции принадлежности аварийному состоянию работы устройства.
Для программирования блоков 6-1, 6-2, 6-3 может быть использована экспертная информация.
Для специализированных типов устройств в частном случае может быть применены следующие решающие правила.
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности аварийному режиму функционирования элемента больше или равно 0.5, делается вывод о нахождении устройства в аварийном состоянии с возможностью 0.85 (значение функции принадлежности аварийному состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности аварийному режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,5), а значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,8), делается вывод о нахождении устройства в аварийном состоянии с возможностью 0,5 (по значению функции принадлежности аварийному состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности аварийному режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,1), а значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0,8...1), делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,8 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента больше или равно 0,5, значение функции принадлежности аварийному режиму функционирования равно 0, а значение функции принадлежности критическому режиму функционирования находится в интервале 0...0,2, делается вывод о нахождении устройства в нормальном состоянии с возможностью 0,8 (по значению функции принадлежности нормальному состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента находится в интервале (0,2...0,5), значение функции принадлежности аварийному режиму функционирования равно 0, а значение функции принадлежности критическому режиму функционирования находится в интервале 0,2...1, делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,9 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,8), а значения функций принадлежности аварийному и критическому режимам функционирования равно 0, делается вывод о нахождении устройства в нормальном состоянии с возможностью 0,8 (по значению функции принадлежности нормальному состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента находится в интервале (0,8...1), а значения функций принадлежности аварийному и критическому режимам функционирования равно 0, делается вывод о нахождении устройства в нормальном состоянии с возможностью 0,99 (по значению функции принадлежности нормальному состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,2), а значения функций принадлежности аварийному и критическому режимам функционирования равно 0, делается вывод о нахождении устройства в нормальном состоянии с возможностью 0,5 (по значению функции принадлежности нормальному состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента больше или равно 0,5, значение функции принадлежности аварийному режиму равно 0, а значения функций принадлежности критическому режиму функционирования находится в интервале (0,4...0,9), делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,5 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности нормальному режиму функционирования элемента меньше 0,5, значения функций принадлежности аварийному режиму равно 0, а значение функции принадлежности критическому режиму находится в интервале (0...0,6), делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,8 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,5), а значения функций принадлежности аварийному и нормальному режимам функционирования равно 0, делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,5 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0,5...1), а значения функций принадлежности аварийному и нормальному режимам функционирования равно 0, делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,99 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0,2...0,8), значение функции принадлежности аварийному режиму - в интервале (0...0,2), а значение функции принадлежности нормальному режиму - в интервале (0,2...0,8), делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,7 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,2), значение функции принадлежности аварийному режиму - в интервале (0...0,2), а значение функции принадлежности нормальному режиму - в интервале (0,2...0,8), делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,8 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,2), значение функции принадлежности аварийному режиму - в интервале (0...0,2), а значение функции принадлежности нормальному режиму - в интервале (0,2...0,5), делается вывод о нахождении устройства в критическом состоянии с возможностью 0,9 (по значению функции принадлежности критическому состоянию).
В тех случаях, когда на всем интервале исследований значение функции принадлежности критическому режиму функционирования элемента находится в интервале (0...0,2), значение функции принадлежности аварийному режиму - в интервале (0...0,2), а значение функции принадлежности нормальному режиму - в интервале (0...0,2), делается вывод о нахождении устройства в аварийном состоянии с возможностью 0,5 (по значению функции принадлежности аварийному состоянию).
Используя эти решающие правила можно запрограммировать блоки 6-1...6-3 и получить на выходе блока 6-1 значение функции принадлежности нормальному состоянию работы устройства в пределах моделируемого интервала времени (интервалов изменений параметров функционирования элементов устройства), на выходе блока 6-2 - критическому состоянию, а на выходе блока 6-3 - аварийному состоянию.
Исследования можно проводить по всему множеству элементов устройства.
Таким, образом, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, связанный с расширением функциональных возможностей, поскольку устройство позволяет моделировать и исследовать поведение устройства сложных электронных устройств в условиях неадекватного функционирования составляющих его элементов.