Методика проектных исследований надежности структурно-сложной радиоэлектронной аппаратуры

УДК 621.3.019.3 Тихменев А.Н.

МЕТОДИКА ПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ СТРУКТУРНО-СЛОЖНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Аннотация. В статье рассматривается методика и средства для анализа проектных решений структуры и алгоритма функционирования РЭА по обеспечению требуемого уровня надежности.

Ключевые слова: надежность, имитационное моделирование, проектные исследования

Работа посвящена разработке методики для проектных исследований надежности структурносложной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), которая позволяет провести анализ структуры и сравнить альтернативные проектные решения.

Одним из часто применяемых методов для обеспечения качества, в том числе и уровня надежности бортовой аппаратуры, является использование реконфигураций различной сложности и на различных уровнях разукрупнения РЭА [1]. Анализ алгоритмов реконфигурации показал, что структуру бортовых РЭА часто нельзя свести к набору типовых резервированных групп, т.к. одной из наиболее значимых ее особенностей с точки зрения надежности является уникальность конкретной реализации структуры и алгоритмов реконфигурации.

Так как структурная надежность закладывается на ранних этапах проектирования, то для минимизации риска возвращения к этим этапам необходимо проводить сравнение различных вариантов реконфигураций и резервирования. Критерием выбора того или иного варианта являются значения показателей безотказности, поэтому важно получить среднее значение показателей надежности, однако существующие методы не позволяют в сжатые сроки провести расчеты для различных вариантов реализации структуры с точностью, приемлемой для их сравнения.

Эта проблема связана с недостатками программного обеспечения (ПО) для автоматизации расчетов надежности. Для структурно-сложной и реконфигурируемой РЭА характерно изменение нагрузок и перераспределение задач между компонентами в процессе функционирования и при отказах составных частей. При этом алгоритм функционирования может оказать заметное влияние на значение показателей надежности, пример такой ситуации приведен на рис. 1, где проиллюстрированы различные алгоритмы подключения резерва и приведены значения вероятности безотказной работы (ВБР) и средней наработки на отказ.

Рис. 1. Влияние алгоритма функционирования на показатели безотказности

Однако при применении существующего ПО учесть такие изменения либо крайне сложно, либо невозможно в принципе, так как они позволяют рассчитывать только типовые резервированные группы (облегченное, скользящее резервирования и т.д.). Поэтому на практике часто рассчитывают только нижнюю оценку показателей надежности, что затрудняет принятие проектных решений и может привести к снижению качества и конкурентоспособности РЭА.

Хотя в литературе и рассматривается возможность применения метода имитационного моделирования, однако на практике он редко используется из-за отсутствия подходящих инструментов [2, 3], позволяющих упростить создание и верификацию моделей. Это основная причина низкого распространения метода, не смотря на то, что он имеет ряд преимуществ: позволяет использовать произвольные законы распределения времени до отказов и восстановлений; моделировать алгоритм функционирования и реконфигураций и др [4, 5].

Для решения этой задачи было создано специализированное программное и математическое обеспечение. За основу взят метод имитационного моделирования, для которого разработаны унифицированные модели для описания компонентов РЭА и модель, объединяющая отдельные компоненты в структурно-сложное изделие. Модель компонента определяет реализацию времени до отказа на основе известных законов распределения наработок на отказ [6] . В модели реализована возможность изменения законов распределения наработок на отказ и перенос времени функционирования между различными распределениями через процентное соотношение (рис. 2).

Рис. 2. Модель компонента РЭА

Множество компонентов объединяется в структуру РЭА через критерии отказов и действия реконфигурации. Для их формального задания был разработан специализированный язык моделирования. Основными конструкциями языка являются описание законов распределения, компонентов РЭА, процедуры по вычислению состояния РЭА и условные операторы для определения действий реконфигурации.

В условии события реконфигурации и критерия отказа можно использовать стандартный набор логико-математических операций, как над состояниями компонента, так и над переменными (локальными и глобальными), что позволяет учитывать, как текущее состояние модели, так и историю возникавших в ходе моделирования событий.

Схематично способ определения состояния РЭА средствами предлагаемого языка представлен на рис. 3, где проиллюстрирован возможный состав логико-арифметических операций, предоставляющий широкие возможности для вычисления.

Конструкция языка

<st calc dec> ::= st calc <st calc name>

Вычислительная процедура определения состояния РЭА

<operators> ::=

Логические и алгебраические операторы

<value> ::=

<operators> return <key>;

Стандартный набор средств процедурного программирования

if (<value>) {<operators>} else {<operators>}

| while (<value>) {<operators>} | <var_dec>

<var_name> = <value>

<value> <m_operator> <value>

|<var_name>

|<knot_name>:<state_name>

|<knot name>:<mode name>

Предусмотренные операторы для определения состояния компонента, преобразуются в числовое значение по принципу: 1 - если компонент в этом состоянии/режиме О - если компонент в каком-либо другом

Результатом процедуры является имя состояния узла

Примеры

st_calc М1_са1с {

return (К1|К2|КЗ)&К4;

>;

st_calc М2_са1с {

if

{

re turn М2:WorkNorm;

>

else if {

{

return M2:WorkHard;

>

else

{

return М2:Fail;

};

st_calc M3_calc {

if

{

return (K1|K2|K3)SK4;

>

else

t

return М2:Fail;

<key> ::= <decimal> | <knot_name>:<state_name>

Рис.3. Формальная запись вычисления состояния РЭА

Такая реализация позволяет записать в модели сложные критерии отказов и провести автоматическое преобразование формальной модели в программную. Аналогичным способом задаются условия и действия реконфигурации.

Для работы с формальными моделями разрабатывается программное средство (ПС), основными модулями которого является компилятор формальной модели, блок верификации и блок выполнения имитационных экспериментов.

В соответствии с принятой практикой имитационного моделирования необходимо перед началом имитационного эксперимента провести верификацию модели на соответствие описанию РЭА. Для верификации модели в ПС предусмотрена и возможность проведения управляемого эксперимента. В этом случае пользователь сам определяет последовательность отказов компонентов и контролирует состояние модели после каждого отказа. В случае несоответствия реакции модели описанию работы поиск ошибки можно осуществить при помощи анализа лог-файла выполнения шага эксперимента, в котором содержится информация о том, какие условия каких событий реконфигурации были выполнены и какие именно действия с компонентами модели ими были проведены.

Для работы с предложенными моделями и программным средством разработана инженерная методика анализа проектных решений по обеспечению надежности реконфигурируемой РЭА [7]. В ее основу лег метод имитационного моделирования отказов, способ создания формальной модели реконфигурируемых РЭА и ПС имитационного моделирования отказов. Методика представлена в виде IDEF0 диаграммы на рис. 4.

Рис. 4. Методика анализа проектных решений по обеспечению надежности РЭА

Для использования методики необходимо наличие исходного варианта структуры РЭА и алгоритма ее функционирования. В случае применения на ранних стадиях проектирования, когда еще формулируются требования по надежности к СЧ, необходимо задаться значениями интенсивностей отказов СЧ, в том числе их соотношением в различных режимах работы.

В блоке А0 (см. рис. 4) выполняется анализ исходного варианта структуры и алгоритма функционирования РЭА, целью которого является синтез СРН и альтернативных вариантов реализации алгоритма функционирования с учетом потенциальной возможности их реализации. Важным аспектом данной операции является генерация предложений по возможной модификации алгоритмов функционирования, так как без численной оценки показателей безотказности нельзя утверждать, какой из них предпочтительнее с точки зрения обеспечения надежности.

В блоке А1 проводиться анализ СРН, целью которого является выделение моделируемых компонентов, событий и формулирование критериев отказов с учетом семантики языка моделирования отказов и реконфигураций РЭА [8] . Для снижения сложности создания модели и времени моделирования следует объединять структурно-простые группы компонентов в одну с интенсивностью отказов, равной сумме интенсивностей отказов входящих в нее компонентов. В то же время необходимо моделировать отдельно все компоненты, состояние которых влияет на функционирование других компонентов. Для каждого компонента необходимо выделить все возможные режимы работы и сопоставить с каждым значение интенсивности отказов. Следует так же выделить и сформулировать все возможные элементарные события в системе и условия их выполнения. Результатом этапа является письменная формулировка «заготовок» элементов модели.

Далее, в блоке А2, необходимо преобразовать «заготовку» модели в формальную модель исходного варианта СРН, в соответствии с синтаксисом языка описания отказов и реконфигураций РЭА. Данный этап включает в себя процесс поиска и устранения синтаксических ошибок в модели с использованием компилятора, встроенного в подсистему АСОНИКА-К-РЭС. В итоге необходимо получить

формальную модель, условно соответствующую СРН, которая будет преобразована компилятором в программную, для дальнейшей верификации в блоке А3.

Для ускорения и правильного выполнения этапа А3 рекомендуется привлекать эксперта по алгоритму функционирования исследуемой РЭА, не задействованного в разработке модели. Верификация модели происходит в подсистеме АСОНИКА-К-РЭС путем проведения управляемого эксперимента. В ходе его пользователь задает последовательность отказов (или событий) и проверят реакцию модели на каждый из них. При выявлении несоответствия алгоритму функционирования происходит локализация ошибки на основе анализа лог-файла, сгенерированного подсистемой АСОНИКА-К-РЭС и возврат к блоку А2. После успешного прохождения верификации адекватная формальная модель передается в блок А6 для выполнения имитационных экспериментов и оценки показателей надежности, и в блок А4, где происходит ее коррекция в соответствии с альтернативными вариантами реализации алгоритмов функционирования. Аналогично с парой операций А2 и А3 (с возможностью циклического повторения) выполняются операции А4 и А5. Результатом выполнения является набор верифицированных моделей для альтернативных вариантов алгоритмов функционирования.

После составления и верификации моделей в системе АСОНИКА-К-РЭС проводиться моделирование (блок А6), результатом которого являются показатели безотказности и статистика по группам компонентов. Эти данные подвергаются анализу в блоке А7, где происходит выявление групп компонентов обладающих максимальной (минимальной) надежностью, и ранжируются варианты реализации алгоритмов функционирования по уровню надежности, который они обеспечивают. На основе требований ТЗ и результатов моделирования ЛПР определяет необходимость коррекции исходного варианта.

Результаты моделирования позволяют обосновать решения следующих типов: коррекция алгоритмов функционирования без коррекции структуры РЭА, коррекция требований к надежности СЧ, необходимость коррекции проекта (возврат к проведенным этапам проектирования), переход к следующему этапу проектирования.

Отличительной особенностью предлагаемой методики является то, что оценка показателей надежности производится более точно, чем при применении аналитических методов анализа СРН. За счет скорости анализа СРН эта методика позволяет не откладывать анализ надежности на более поздние этапы, а провести его сразу и использовать его результаты уже на ранних этапах проектирования. Это позволяет принять проектные решения и сформировать требования к СЧ с учетом резервирования и реконфигураций на всех уровнях разукрупнения и минимизировать вероятность возникновения несоответствия проекта требованиям ТЗ из-за недостатков структуры и выбранных алгоритмов функционирования [].

ЛИТЕРАТУРА

1. Жаднов В.В., Юрков Н.К. Особенности конструирования бортовой космической аппаратуры. -Пенза: Издательство ПГУ, 2012. - 112 с.

2. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург,

2006. - 704 с.

3. Ушаков И.А. Надежность: прошлое, настоящее, будущее. Обзор. / Методы менеджмента каче-

ства, № 6, 2001.

4. Жаднов В.В., Полесский С.Н., Тихменев А.Н. Современные подходы к исследованию безотказности электронных средств циклического применения. / Надёжность и качество - 2010: Труды международного симпозиума: в 2-х т. // Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - с. 7074. т. 1.

5. Жаднов В.В., Авдеев Д.К., Тихменев А.Н. Проблемы расчета показателей достаточности и оптимизации запасов в системах ЗИП. / Надежность, № 3(38), 2011. - с. 53-60.

6. Жаднов В.В., Тихменев А.Н. Моделирование компонентов электронных средств с реконфигурируемой структурой. / Надёжность и качество - 2010: Труды международного симпозиума: в 2-х т.

// Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - с. 330-331. - т. 1.

7. Жаднов В.В., Полесский С.Н., Тихменев А.Н., Авдеев Д.К., Кулыгин В.Н. Информационная технология обеспечения надежности сложных электронных средств военного и специального назначения. / Компоненты и технологии, № 6, 2011. - с. 168-174.

8. Тихменев А.Н. Язык описания отказов электронных средств с реконфигурируемой структурой /

Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы до-

кладов. - М.: МИЭМ, 2010. - с. 137-138.