Построение контролепригодных сложных радиотехнических систем и оценка уровня их приспособленности к определению технического состояния

ОЛ.Задачи контроля и диагностирования СРС.

История развития техники сопровождается трагической историей аварий и катастроф. Аварии сложных технических систем приводят к огромным материальным потерям и человеческим жертвам. Примером тому являются непрекращающиеся авиационные катастрофы. Практика запуска космических аппаратов (КА) с космодрома «Байконур» показала, что 7% пусков ракет относятся к категории аварийных. Не выявленный нештатный режим работы одной из подсистем КА привёл к срыву «Марсианской программы», на которую потрачено около 300 млн. долларов. В результате, потеря спутника и затраты на запуск ракеты-носителя «Протон» с космодрома «Байконур» в ноябре 1996 г. обошлись в 60 млн. долларов. В декабре 1997 г. отказ разгонного блока ракеты-носителя «Протон» привёл к потере Южнокорейского спутника связи. Многомиллионные убытки понесли страховые компании. Общая надёжность ракетоносителя 8К78М по результатам 276 пусков составляет 0,9312, при этом надёжность первых трёх ступеней составляет0,9783 (успешно отработали 270 раз из 276), а четвёртой ступени — 0,952 (успешно отработало 258 раз из 271). Общая надёжность ракетоносителя за 10 лет (1987;1996гг) составляет 0,9844, а за 100 пусков (1984;1996г) -0,98 [ИЗ].

20 мая 1998 г. около 18:20—18:30 часов EDT на спутнике связи Galaxy4, принадлежащем американской компании PanAmSat произошел сбой в системе управления пространственным положением, в результате чего спутник потерял ориентацию и ретрансляция через него прекратилась [100].

Авария парализовала работу систем пейджинговой связи, обслуживающих 90% из примерно 50 млн. абонентов, имеющихся в США. Были также прерваны передачи ряда телевизионных каналов, Национального общественного радио и нарушена работа некоторых компьютерных систем, использующихся в сетях розничной торговли для авторизации кредитных карточек.

Galaxy4 был изготовлен фирмой Hnghes Space & Communications и запущен 25 июня 1993 г. Спутник, созданный на основе базового блока HS-601, был оснащен 24 ретрансляторами мощностью по 16 Вт, работающими в диапазоне С, и 24 ретрансляторами мощностью по 50 Вт, работающими в диапазоне Ки. Стоимость такого аппарата с учетом доставки на орбиту составляет от 200 до 250 млн $. Galaxy4 был расположен в точке стояния над 99° з.д. и использовался для ретрансляции телепрограмм компании CBS, ряда религиозных и коммерческих каналов. В общей сложности на его долю приходилось около 10% пропускной способности, которой располагал PanAmSat на своих 17 эксплуатационных спутниках.

Как сообщила компания PanAmSat, на спутнике произошел отказ бортового процессора основной системы ориентации. Автоматическое переключение на резервный блок также прошло неудачно. В результате спутник потерял трехосную стабилизацию и начал медленно вращаться, а его антенны, соответственно, перестали смотреть на заданные районы.

Взрыв реактора на Чернобыльской АЭС показал, что аварии сложных объектов ответственного назначения могут иметь глобальный характер, несущий угрозу всему человечеству. 5.

Невозможность создания абсолютно надёжных изделий делает актуальным исследование и применение принципов, способов, методов и средств, обеспечивающих своевременное выявление и устранение отказов. К основным способам предупреждения отказов технических систем относятся эффективный контроль и диагностирование их технического состояния. Своевременное выявление и устранение отказов обеспечивает отказоустойчивость, приводит к снижению затрат на эксплуатацию контролируемых объектов. По данным Министерства Обороны США применение средств самоконтроля позволяет экономить до 35% затрат, связанных с обеспечением эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры. Отдача средств, затраченных на встроенные средства контроля, составляет 8,75:1.

По данным американских специалистов не выявленные наземными проверками отказы бортового радиоэлектронного оборудования самолётов составляют 25−64% от их общего числа. В результате стоимость эксплуатации авиационной техники по сравнению с её закупочной стоимостью возрастает в два раза.

Современные радиотехнические системы — сложные системы по своему функциональному назначению, областям применения, структуре, количеству элементов и связей, волновому и энергетическому диапазону, процессам, протекающим в самой системе.

В состав обобщенной структуры сложной радиотехнической системы (СРС) входят, как правило, такие как: источник информации, преобразователь информации (кодер), модулятор тракта передачи, генератор СВЧ, антенно-фидерное устройство, работающее на приём и передачу, приёмник с входными цепями, преобразователем частоты, демодулятором, декодером, с устройством обнаружения сигнала и измерения его параметров, отображения информации.

В настоящее время в условиях резкого сокращения финансирования на модернизацию существующих и создание перспективных СРС особую актуальность приобретает качество приёма и передачи информации.

Ретроспективный анализ средств приема и обработки информации связанный с основными этапами их создания и эксплуатации, позволяет выделить их отличительные признаки, связанные с: информативностьюколичеством принимаемых и обрабатываемых потоков информациииспользуемой элементной базойстепенью автоматизации процессов измерений и обработки информациивычислительными возможностями используемых процессоровтипом и объемом с линиями связи и сопрягаемыми устройствамивозможностями проверки состояния аппаратуры, диагностики и реконфигурации с целью оперативного восстановления работоспособности в процессе функционирования.

Основным направлением развития этих средств является удовлетворение постоянно растущего спроса на повышение объема, скорости и достоверности получения информации при сокращении стоимости разработки обеспечивающей аппаратуры и эксплуатационных затрат. Единственный путь удовлетворения этого спроса — расширение вычислительных возможностей, полный переход к цифровой обработке сигналов и внедрение общепринятых стандартов на представление, транспортировку и обработку информации.

При этом главной особенностью современного этапа становится обеспечение надежности и достоверности функционирования СРС. Эта проблема существовала и ранее, но решалась она за счет привлечения избыточного количества сил и средств и многократного дублирования средств приема, сбора и обработки информации. 6.

Рассмотрим этапы создания точных приборов командноизмерительных систем (КИС) космических аппаратов (КА), в частности и для искусственных спутников Земли (ИСЗ), радиоканалы которых основывались на принципах непрерывного излучения в УКВ — диапазоне (для ИСЗ научного и народнохозяйственного назначения) и СВЧ — диапазоне (для ИСЗ оборонного назначения), доказавших свое преимущество по отношению к импульсным радиолиниям.

Первая командная радиолиния (KPJI) для ИСЗ «МРВ-2М — БПУ-ДП» обеспечивала передачу на объект 20 разовых команд немедленного исполнения в УКВ диапазоне (47,9.49.0 Мгц) в режиме непрерывного излучения на одном из 12 литеров при обеспечении беспоиского и беснодстроечного вхождения в связь. Наземный передатчик мощностью 300 Вт работал на всенаправленную антенну с линейной поляризацией.

Использовалась модуляция ЧИМ — ЧМн — AM. Команды кодировались двухразрядным пятеричным кодом: передавались две командные посылки длительностью по 1 сек., представляющие собой частоты модуляции 7 и 9 кГц., манипулирующиеся в течение каждой посылки одной из частот 110, 150, 190. 235 и 290 Гц.

Бортовая аппаратура имела «горячий» резерв и функционировала непрерывно в течение всего времени активного существования ИСЗ. Приемное устройство работало на ненаправленную антенну и было построено по схеме супергетеродина с однократным преобразованием частоты. Дешифрирующее устройство было построено по схеме «фильтр широкой полосы — ограничитель — фильтр узкой полосы» .

Такие принципы построения позволили создать в крайне сжатые сроки первую командную радиолинию ИСЗ, обладающую высокой помехозащищенностью от неорганизованных помех, надежностью, экономичностью и простотой в эксплуатации, а также гибкостью при модернизации.

Путем модернизации первой командной радиолинии ИСЗ расширялись ее функциональные возможности и без значительных затрат и в короткие сроки:

I. Командная радиолиния «МРВ-ВС — БКРЛ-В» обеспечила управление космическими кораблями типа «Восток» путем подачи 40 разовых команд, в том числе команд повышенной надежности исполнения: команд спуска и катапультирования («Спасения»).

В этой радиолинии предусматривалось:

— увеличение числа разовых команд вдвое за счет частотно-временного метода разделения команд, передававшихся на двух несущих частотах, без увеличения количества наземных станций и при сохранении времени передачи команд;

— увеличение надежности исполнения команд спуска космического корабля за счет аппаратурного, волнового и территориального резервирования;

— пренебрежимо малая вероятность ложного исполнения и высокая надежность прохождения команды «Спасение» в случае аварийных ситуаций на активном участке полета путем использования последовательно-параллельного метода передачи и дешифрации этой команды и программного резервирования наземной аппаратуры КРЛ.

Бортовая аппаратура БКРЛ-В включала в себя два комплекта приемных устройств БПУ-ДП, работающих на две П-образные взаимно ортогональные антенны (на активном участке использовались выносные антенны, установленные на головном обтекателе ракетоносителя), и суммирующее устройство.

Эта КРЛ обеспечила первый полет в космос гражданина СССР Ю. А. Гагарина, а также последующие полеты пилотируемых космических кораблей «Восток» и «Восход». 7.

2. Командная радиолиния «Пост-Д — БКРЛ-2Д» была разработана для управления малыми ИСЗ «Электрон-1» и «Электрон-2» и в дальнейшем использовалась также для управления ИСЗ серии «Космос» .

Аппаратура этой КРЛ заменила бортовую аппаратуру БПУ-ДП (БКРЛ-Д) и выработавшую ресурс наземную аппаратуру МРВ-2М (МРВ-ВС), а также позволила увеличить область применения КРЛ за счет расширения диапазона волн (35.50 Мгц) и дальности действия. Дальность действия была увеличена за счет применения наземных радиопередающих устройств Р-121 (шифр «Фрегат») мощностью 750 Вт, имевших 25 поддиапазонов, каждый из которых содержал 75 волн, разнесенных через 8 кГц.

Бортовая аппаратура этой КРЛ обеспечила надежную работу при сроке активного существования ИСЗ в течение года за счет реализации перекрестного резервирования при одновременном снижении веса и габаритов за счет использования миниатюрных электрорадиоэлементов.

3. Командная радиолиния «Пост-Д 1 — БКРЛ-ВД» была разработана для управления несколькими космическими кораблями типа «Восток», одновременно находящимися на орбите, путем кодовой селекции объектов при одновременной передаче команд на двух несущих частотах. При этом общее число разовых команд составило 400. В наземной аппаратуре предусматривалась возможность передачи 5 особо важных команд, для формирования которых использовался 8-разрядный двадцати пятеричный код, обеспечивавший требуемую имитостойкость.

4. Командная радиолиния «Пост-2Д — БКРЛ-БР (БКРЛ-Б)», разработанная для управления ИСЗ «Метеор», обеспечила новый качественный скачок в управлении ИСЗ, необходимость которого обуславливалась требованиями управления большого количества ИСЗ с высокой надежностью и оперативностью.

Эти требования были удовлетворены при сохранении принципов построения первой командной радиолинии ИСЗ за счет реализации полного объема возможных комбинаций кодов разовых команд, введения решающей обратной связи (передачи квитанций об исполнении разовых команд), а также за счет автоматизации процессов формирования информации и управления в наземной аппаратуре, для чего предусматривались следующие режимы работы:

— предварительный набор любых 40 разовых команд в любой последовательности и выдача, серий из 10 команд в заданное время с заданным числом повторения;

— предварительный набор любых 40 разовых команд и автоматическая их выдача при совпадении текущего и запланированного времени выдачи каждой команды;

— автоматический переход к передаче следующей разовой команды при получении квитанции о прохождении предыдущей;

— автоматическое отображение процессов выдачи команд, их регистрация и выдача в линию связи для передачи в центр номеров выданных РК, времени их выдачи и факта получения квитанции;

— автоматический ввод с линии связи и выдача на ИСЗ разовых команд, переданных из центра.

Наземная станция «Пост-2Д» имела пять режимов работы, обеспечивавших передачу 2940 разовых команд.

Бортовое устройство имело «горячее» резервирование с перекрестными связями и за счет применения сверхминиатюрных электроэлементов в исполнении на 20 разовых команд (БКРЛ-Б) имело вес и габариты примерно вдвое меньше, чем у БКРЛ-2Д. 8.

На этом завершилась разработка модификаций командных радиолиний ИСЗ первого поколения в УКВ-диапазоне.

Второе поколение КРЛ в УКВ-диапазоне представляет собой совмещенную ко-мандно-программно-траекторную радиолинию (КПТРЛ) «Коралл», разработанную для управления системой спутников «Целина-О» и нашедшую широкое применение для автоматизированного управления ИСЗ научного и народнохозяйственного назначения (АУОС, «Бион», и др.).

В КПТРЛ «Коралл» была реализована кодово-частотная селекция (по модуляционным частотам), обеспечивающая управление шести ИСЗ на одной несущей частоте.

Наземная станция «Коралл» включает в себя наземную аппаратуру траекторно-телесигнализационной радиолинии «Краб», аппаратуру наземной станции «Пост-2Д» и устройства, обеспечивавшие передачу временных программ объемом 500 дв.ед. по каналу, совмещенному с каналом передач разовых команд, а также устройства для проведения сверки наземной и бортовой шкал времени.

Бортовая аппаратура «Коралл» (разработаны 3 модификации) включает в себя вызывной блок, устройство приема разовых команд и временной программы, программно-временное устройство, устройство траекторно-телесигнализационных измерений и коммутирующее устройство.

КПТРЛ «Коралл» находится в эксплуатации около 30 лет, что еще раз подтверждает правильность и перспективность заложенных более 40 лет назад принципов построения первой командной радиолинии ИСЗ.

Эти принципы сохранены и в третьем поколении КРЛ УКВдиапазона «Калина», отличающимся своим схемно-техническим и конструктивным исполнением за счет использования программно — аппаратных методов построения наземных станций.

Через полтора года после начала функционирования первой командной радиолинии ИСЗ УКВ диапазона в НИИ точных приборов началась разработка командно-программной радиолинии «Тайга» в СВЧдиапазоне для управления ИСЗ оборонного назначения, завершенная через два с половиной года.

Вторым поколением этих средств управления ИСЗ стала совмещенная команд-но-программно-траекторная радиолиния (КПТРЛ) «Куб» с тремя модификациями бортовой аппаратуры для различных типов ИСЗ.

Качественный скачок в автоматизированном управлении космическими аппаратами был достигнут при создании третьего поколения радиолиний управления ИСЗ оборонного назначения — командно-измерительной системы «Куб-Контур», в которой: — используются широкополосные шумоподобные сигналы (впервые в нашей стране);

— реализуются для повышения помехозащищенности режимы работы со «скачками частоты» (адаптация по несущей частоте);

— в наземные станции КИС (впервые в нашей стране) с целью автоматизации процессов управления и контроля вводится ЭВМсоздается унифицированный ряд модификаций бортовой аппаратуры КИС;

— на базе КИС «Куб-Контур» создаются первые наземные комплексы управления (НКУ)КА;

— на базе КИС «Куб-Контур» и радиолинии передачи целевой информации «Сплав» создается первая радиолиния глобального управления КА в реальном масштабе времени через стационарный спутник-ретранслятор «Контур-Сплав». 9.

В последних разработках в радиолиниях «Земля-КА» и «КА-Земля» КИС используются псевдошумовые сигналы на базе линейных М-последовательностей максимальной длины, адаптация по частоте, методы информационной криптои имито-стойкости, обеспечивающие высокую помехозащищенность.

Использование специального кодирования информации и решающей обратной связи обеспечивает требуемую достоверность передачи информационных массивов.

Для обеспечения заданной скорости передачи информации на борт КА в КИС применен способ передачи элементарных сообщений без ожидания квитанции на переданное элементарное сообщение. При этом специальное программное обеспечение наземной станции КИС позволяет вести передачу информации при времени запаздывания квитанции, равном времени передачи 3. 10 элементарных сообщений.

Выбранные в радиолиниях КИС сигнальная база, и технические решения позволяют совместить процесс приемо-передачи управляющей информации и процесс измерения текущих навигационных параметров (траекторных измерений) КА с точностями, достаточными для долгосрочного прогноза параметров орбиты ИСЗ любого целевого назначения.

Исходя из синхронного характера радиолиний в КИС реализован нетривиальный способ транспортировки бортовой шкалы времени на Землю, исключающий необходимость передачи самих временных меток и обеспечивающий удобство и точность технологических операций по синхронизации бортовой и наземной шкал времени (сверка, коррекция и фазировка).

В КИС возможна реализация метода оперативной (в процессе сеанса связи с КА) обработки со сжатием массивов траекторных измерений, передачи их на обслуживаемый в данном сеансе связи КА, запоминания на борту и последующего сброса в пункт обработки баллистической информации. Такой метод переноса траекторией информации в режиме «электронная почта» позволяет существенно разгрузить наземные линии связи, уменьшив затраты на эксплуатацию наземного комплекса управления КА. В качестве «переносимой» КА информации может быть не только траекторная, но и любая другая (управляющая, технологическая, целевая).

Соответствующие модификации бортовой аппаратуры КИС обеспечивают как возможность приема в центральный вычислительный управляющий комплекс КА информационных массивов рабочих программ для осуществления программно-координатного управления КА, так и возможность приема, запоминания и отработки информационных массивов для программно-временного и уставочного управления КА с выдачей необходимых наборов программных команд управления в рассчитанные на Земле моменты времени.

Построение программно-временного устройства бортовой аппаратуры КИС позволяют обеспечить автономный (без вмешательства с Земли) режим управления КА в течение длительного времени орбитального полета.

Наличие в составе модификаций бортовой аппаратуры КИС устройства сбора, первичной обработки, адаптивного сжатия и запоминания телесигнализационной информации позволяет упростить процесс автоматизированного управления КА за счет исключения специальных средств традиционной высокоскоростной телеметрии.

Так как командно-измерительная система является единственным средством вмешательства в функционирование КА с Земли в случае нештатных, в том числе аварийных, ситуаций на борту, в КИС реализован принцип «бортовая аппаратура КИС умирает последней», заключающийся в следующем. Автономная система парирования отказов в бортовой аппаратуре КИС обеспечивает возможность ее восста.

10 новления при наличии большого числа отказов отдельных функциональных устройств до тех пор, пока в ней существует хотя бы одна конфигурация, составленная из рабочих и резервных устройств, обеспечивающая прохождение на борт КА командно-программной информации.

Кроме того, обеспечивается по определенной логике автономное (независимое от бортовой системы управления КА) включение бортовой аппаратуры КИС в сеанс связи и ее выключение из сеанса связи с привязкой этих включений к зонам радиовидимости наземных станций КИС.

Радиолинии КИС обеспечивают устойчивую связь как в ориентированном режиме полета КА, так и в случаях потери КА ориентации (нештатная ситуация) за счет использования в радиолинии «КА-Земля» двух слабонаправленных разнесенных на 180 град, антенн, излучающих ортогональные сигналы, а в радиолинии «Земля-КА» путем автовыбора одной из этих антенн с большим сигналом. с изложенным, единственно возможным направлением оптимального решения проблемы минимизации затрат и обеспечения целевой задачи приема высокоскоростной информации с требуемой эффективностью является внедрение автоматического контроля процессов функционирования радиоэлектронной аппаратуры и оперативной реконфигурации с целью восстановления работоспособности.

Широкие возможности используемой микропроцессорной техники позволяют решить эту проблему. При этом на первый план выдвигается задача диагностирования.

Под достоверностью функционирования будем понимать свойство СРС, характеризующее способность средств контроля выявлять факт наличия неисправности и перемежающегося отказа (сбоя) в СРС.

Если СРС не контролируется с помощью тестовых и функциональных методов диагностирования, то достоверность функционирования зависит от правильности изготовления СРС, её надёжностных характеристик и внешних помех.

В этом случае повышение достоверности функционирования СРС может быть достигнуто за счёт улучшения одной из надёжностных характеристик — повышение вероятности безотказной работы элементов (устройств) в неё входящих.

Статистика отказов устройств входящих в состав СРС, за период с 1990 г. по 1998 г. представлена на рис. 0.1, а также в Приложении 4.

Где КТП — командно — технический пункт;

ЦК — аппаратура цифрового кода;

СС — аппаратура системы синхронизации;

ТУ-ТС — аппаратура телеуправления — телесигнализации.

За период с января 1990 по декабрь 1998 года стоики объекта 2857 наработали 76 618 часов. За это время обнаружено 509 неисправных ячеек. Количество отказавших ячеек по годам, наработка и средняя наработка ячеек на отказ приведены в таблице 0.1. На рис. 0.2 приведена статистика отказов блоков СРС по годам (с 1990 по 1998 г.), причём все значения умножаются на 106.

Таблица 0.1.

Количество отказов Общее количество отказов Наработка, час Интенсивность отказов.

КТП ЦК СС ТУ-ТС.

1990 1 2 16 42 61 8522 0,94*10″ 6.

1991 2 15 42 63 122 8511 0.59*10″ 6.

1992 — 21 24 42 87 8804 0,76*10″ 6.

1993 — 14 12 25 51 8487 1,26*106.

1994 — 10 11 19 40 8568 1,25*10″ 6.

1995 — 7 8 19 34 8544 1,87*10″ 6.

1996 — 5 6 25 36 8621 1,78*10″ 6.

1997 — 5 9 22 36 8664 1,79*10″ 6.

1998 — 6 24 16 46 7897 2,17*10″ 6.

ИТОГО 3 85 152 273 513 76 618 1,118*10″ 6 средняя наработка ячейки на отказ за период 1990 — 1998 г. г. составляет 1,118 106 часов, а за период 1995 — 1998 г. г. — 1,883 106 часов.

Промышленность непрерывно производит работу по повышению безотказности СРС. Однако в процессе её функционирования возникают как постоянные, так и перемежающие отказы, которые являются случайными событиями, место и время появления которых практически предугадать невозможно.

Повышение безотказности аппаратуры контроля может быть достигнуто за счёт уменьшения влияния постоянных отказов элементов. Основные из этих методов следующие:

• упрощение схем устройств и систем аппаратуры контроля в целом;

• применение высоконадёжных элементов с гарантированной безотказностью;

• применение структурной избыточности (резервирование) устройств и элементов.

Посредством реализации первого метода безотказность аппаратуры контроля не может быть значительно повышена. Это является следствием того, что простота схем не может быть больше определённого уровня, т.к. СРС должна решать возложенные на неё задачи.

В будущем можно ожидать незначительное уменьшение интенсивности отказов некоторых основных элементов. Повышение безотказности элементов связано со значительным усложнение технологии их изготовления и большим повышением их стоимости. Поэтому может оказаться экономически нецелесообразным применение элементов с весьма низкой интенсивностью отказов.

Возможности резервирования также ограничены. Это обусловлено тем, что значительное увеличение средней наработки до отказа устройства даже в предельном случае может быть достигнуто только при практически нереализуемом общем числе его элементов. Резервирование замещением требует большого усложнения аппаратуры и приводит к большому её удорожанию и усложняет её эксплуатацию.

Безотказность дискретных устройств может быть повышена в результате введения структурной избыточности, при которой выходы устройств или систем, находящихся в резервном соединении, объединяются логическим восстанавливающим органом (неисправностями которого многие авторы пренебрегают, т. е. считают его абсолютно надёжным). Такое резервирование может быть реализовано и на более низком уровне. Оно весьма эффективно при борьбе с перемежающими отказами (сбоями). Его эффективность значительно снижается при возникновении устойчивого отказа и при возникновении отказов в восстанавливающем органе.

Для повышения безотказности работы систем СРС может быть использована информационная избыточность. В этом случае избыточность используется как для обнаружения, так и исправления искажений в рабочей информации. Чем больше кратность исправляемых ошибок, тем больше информационная избыточность. При этом следует учитывать и то, что информационная избыточность требует затрат структурных, что усложняет систему и снижает её безотказность. Информационная избыточность, как правило, применяется для контроля передачи информации между системами аппаратуры контроля и эффективна при ликвидации последствий перемежающихся отказов.

Возможности обеспечения требуемой достоверности функционирования СРС посредством реализации прямых методов повышения безотказности её систем ограничены. Значит, необходимая достоверность функционирования аппаратуры контроля может быть повышена посредством организации контроля в реальном масштабе времени с последующим восстановлением отказавших устройств [109, 174].

Опыт эксплуатации СРС свидетельствует о том, что при отсутствии специальных средств проверки основную долю времени восстановления составляет время, затрачиваемое на установление места отказа и достигает иногда 70−85% от общего времени восстановления. Поэтому, прежде всего, необходимо сокращать время контроля, т. е. повышать контролепригодность систем и осуществлять функциональный контроль путём построения систем само диагностируемыми [30, 31, 34, 52].

В настоящее время наметилась тенденция к увеличению числа отказов изделий военной электроники при эксплуатации, до 70% которых составляют отказы, вызванные низкой надёжностью элементной базы и недостаточным качеством и устойчивостью технологического процесса изготовления изделий военной электроники.

Контроль даёт возможность посредством восстановления аппаратуры контроля обеспечить необходимую безотказность и достоверность функционирования систем в процессе их эксплуатации. Это достигается следующим образом. Если задачей диагностирования является обнаружение заданного класса и типа неисправностей, то по отношению к объекту диагностирования это акт пассивный. В этом случае на надёжность аппаратуры контроля влияет только процесс восстановления по результатам диагностирования. Однако если в задачу диагностирования входит процесс поиска места неисправности, не влияющий в данный момент на функционирование системы, то это повышает надёжность аппаратуры контроля. Иначе неизбежно происходит накопление необнаруживаемых неисправностей, что в конечном итоге ухудшает такой основной показатель, как безотказность.

Практика эксплуатации СРС показывает, что постоянные и перемежающие отказы одновременно во всех элементах СРС не возникают. Значительная часть элементов остаётся в исправном состоянии. Опыт эксплуатации СРС показывает, что объём неисправностей невелик, а стоимость полной замены СРС высока. Исходя из этого, прилагаются усилия к тому, чтобы восстановить СРС на месте применения, без выво.

13 да из сферы эксплуатации. Поэтому возникает задача поиска и локализации неисправностей систем аппаратуры контроля с возможно большей точностью, т.к. при этом снижается объём, время и стоимость восстановительных работ и сокращается расход запасных частей.

Задача поиска неисправностей в СРС обычно разрешается операторами. Знания и навыки, необходимые для поиска неисправностей, приобретаются в основном наблюдением и повторением действий опытных специалистов или путём самостоятельного проведения поисковых экспериментов.

Объективная и обоснованная технология поиска и устранения неисправностей, появляющихся при внезапных отказах СРС, у оператора отсутствует. Это вызывает определённые затруднения в передаче и освоении опыта локализации места неисправности. Время и стоимость поиска и устранения неисправностей для некоторых систем аппаратуры контроля могут оказаться значительными.

Как известно, техническая диагностика является научной дисциплиной, содержание которой — изучение и определение действительного состояния СРС и характера его изменения во времени. Она нацелена на исследование форм проявления технического состояния СРС. Отличительной особенностью технической диагностики СРС является автоматизация процессов определения работоспособности и локализации места неисправности.

Из изложенного следует, что задачи, подлежащие решению в диагностике, актуальны, разнообразны и сложны. Для сложных систем, используемых в аппаратуре контроля, они вырастают в серьёзные проблемы. Это определяется следующими основными обстоятельствами.

СРС, используемая на различных объектах вооружения, весьма разнообразна. В условиях такого разнообразия диагностика, будучи подчинённая единой цели, должна в тоже время учитывать различие в формах проявления технического состояния систем, целесообразность использования тех или иных методов определения работоспособности и поиска места неисправности, особенности технической реализации средств функционального диагностирования.

Условия непрерывной эксплуатации СРС при ограниченном времени восстановления систем и минимальном объёме ЗИП заставляют ориентироваться на определение характера дефекта, возможных его последствий и способов их исключения. Это приводит к необходимости создания принципиально новых, отличных от существующих, моделей определения работоспособности и поиска места неисправности, необходимости к разработке критериев оценки процедур диагностирования, а также разработки принципов и методов построения систем функционального диагностирования.

Исходя из проведённого анализа, можно сделать вывод, что повышение достоверности функционирования аппаратуры контроля и обеспечение безопасности проведения её проверок требуют введения дополнительных устройств, контролирующих работу систем аппаратуры. В свою очередь, эти устройства, как и сами системы, будут подвержены влиянию отказов.

Указанную проблему трудно будет разрешить, если при проектировании систем аппаратуры контроля не будут учтены требования их контролепригодности. Это связано с тем, что по мере развития элементной базы всё труднее становится применять разработанные методы технического диагностирования для определения их технического состояния. Задачи контролепригодности возникли как дальнейшее развитие.

14 системного подхода к вопросу повышения эффективности определения технического состояния СРС.

Большой вклад в развитие технической диагностики внесли такие учёные, как Яблонский C.B., Пархоменко П. П., Кострыкин А. И., Викентьев Л. Ф., Артёменко Е. А., Мозгалевский A.B., Тоценко В. Г., Дмитриев А. К., Согомонян Е. С., Новиков H.H. и др.

В конце 60-х годов, с появлением нового поколения аппаратуры контроля, требования к контролепригодности техники ещё более возросло. В 70-е годы появились специальные отраслевые и государственные нормативно-технические документы, регламентирующие параметры объекта контроля.

Под обеспечением контролепригодности будем понимать совокупность мероприятий, направленных на упрощение процесса технического диагностирования систем.

Существующие методы [2, 3, 76, 109, 119, 130, 141, 156, 169, 170, 189, 197, 205, 208, 209] технической диагностики в большинстве случаев оказываются недостаточно эффективными при их использовании для организации и диагностирования систем в целом. Одна из причин этого заключается в том, что теоретический фрагмент технической диагностики сформирован при ориентации на контроль и диагностировании «малых объектов» .

Считается, что затраты на генерацию тестов для комбинационных схем обычно увеличиваются пропорционально квадрату числа элементов в схеме, в то время как затраты на контроль СРС, построенной на базе сверхбольших интегральных схем будут огромными.

Обеспечение контролепригодности СРС предполагает учёт: особенностей задач, решаемых СРС, условий её функционированияорганизации технического обслуживанияхарактеристик СРС, особенностей программного обеспечения и др. [1, 4, 54, 58, 68, 70,., 73, 77, 79, 108, 129, 130, 136, 137, 139, 146, 148,., 155, 180, 181, 187, 198, 199, 200, 201].

Характеристика контролепригодности по своему содержанию должна однозначно отображать приспособленность СРС к проведению технического диагностирования. Проектирование СРС без учёта требований по контролепригодности приводит к тому, что при её проверке на этапе эксплуатации повышаются затраты времени на проверку технического состояния, отыскание неисправностей, увеличивается её ресурс работы.

На основании этого можно сделать вывод о том, что перед разработчиками КС и СРС всё более остро встаёт проблема обеспечения их контролепригодности. Основные результаты исследований по обеспечению контролепригодности СРС опубликованы в [1, 4, 54, 69, 63, 65, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 77, 79, 82, 106, 108, 129, 146, 135, 136, 137, 139, 140, 148, 177, 180, 181, 185, 187, 198, 199, 200, 201, 211, 212].

Тенденция развития СРС связана с расширением выполняемых ею функций. Это влечёт к изменению СРС, так как требует увеличения структурных затрат, обусловленных введением новых систем, исхода уже из нового объёма контролируемых параметров.

Введение

новых систем увеличивает вероятность возникновения неисправности, что снижает достоверность функционирования системы. Снижение достоверности функционирования увеличивает вероятность того, что неисправный объект принимается за исправный, а это приводит к снижению вероятности поражения цели. Одно из основных требований, предъявляемых к СРС, — это высокая достоверность её функционирования, т. е. необходимо отметить, что введённые новые системы в СРС.

15 требуют введения определённых дополнительных аппаратных затрат на обеспечение достоверности её функционирования, в которых также могут возникать неисправности. Таким образом существует проблема «сторожа над сторожем» .

Таким образом, научная задача проводимых исследований состоит в разрешении противоречия между возрастающей сложностью СРС и необходимостью увеличения достоверности её функционирования.

Целью исследований является: повышение достоверности функционирования СРС в условиях повышенной степени интеграции элементной базы.

При решении научной задачи использованы методы исследований и математический аппарат, базирующий на разделах математической логики, кластерного анализа, теории чисел, теории матриц, теории измерений, теории рекурсивных функций.

Объектом исследований являются сложной радиотехнической системы.

Предметом исследований является контролепригодность СРС, которая характеризует её приспособленность к определению в ней как факта наличия неисправности, так и места неисправности, в случае её возникновения, а также и способы её построения, исходя из этих условий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика оценки уровня приспособленности СРС к определению технического состояния;

2. Методика синтеза контролепригодных структур СРС;

3. Алгоритм количественная оценка инструментальной достоверности контроля.

СРС.

Достоверность результатов подтверждается корректным обоснованием, строгими математическими выводами и доказательствамифизическим экспериментомматематическим моделированием на основе программного комплекса МОДУС-ИНФОДясной физической интерпретацией полученных результатов и их непротиворечивостью существующим представлениям о путях развития систем СРСсходимостью полученных результатов с результатами математического моделирования.

Обоснованные в работе научные положения, предложенная методика оценки уровня приспособленности СРС и сравнительная оценка эффективности результатов исследований свидетельствует о теоретическом обобщении и решении научной задачи, связанной с повышением достоверности функционирования СРС. Формулировка и решение данной научной задачи имеет важное оборонное и народнохозяйственное значение. Стимулирует развитие новых перспективных путей повышения достоверности функционирования СРС. Отсутствие аналогичных работ за рубежом делает разработанную научную задачу приоритетной и патентно-чистой, что позволяет поднять уровень развития СРС на качественно новую ступень.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались: на научно — технических конференциях в Серпуховском военном институте (1998, 1999 г.) — на Международной НТК «Системные проблемы надёжности, математического моделирования и информационных технологий» (г. Сочи, сентябрь 1999 г.) — на международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии: Геометрическое моделирование и виртуальная реальность» (г. Таганрог, сентябрь 1999 г.) — на научно — технических семинарах МНИРТИ.

Публикации. Результаты работы опубликованы:

Рис. 0.2. Статистика интенсивности отказов блоков СРС.

0.2. Анализ существующих методов диагностирования и методов повышения контролепригодности СРС.

При проектировании СРС возникает задача выбора средств контроля определяющих её техническое состояние. Под этим подразумевается вы вариантов структуры средств контроля и совокупности качественных и количественных характеристик, являвшихся исходными данными для разработчиков конкретных алгоритмов и средств контроля.

В настоящие время, в связи с усложнением решаемых задач дискретными системами СРС, применением микропроцессоров в их составе, с необычайной остротой встает вопрос их технического диагностирования.

Применение сверхбольших интегральных схем в дискретных системах приводит к тому, что затраты на проверку занимают большую долю всех затрат, которые выделяются на проектирование этих систем. Решение этой проблемы возможно, если дискретные системы будут разрабатываться с учётом их контролепригодности. В последней разработке фирмы IBM контролепригодность признана одним из столпов, поддерживающих всю систему.

В [30, 31, 34, 35, 52, 151] говорится о возможности применения парафазной логики для повышения контролепригодности дискретных систем.

В работах [60, 70, 71,72, 77, 87, 107, 128, 129, 202] предлагаются подходы к оценке и проектированию контролепригодных систем различного применения.

Контролепригодность как дискретных, так и аналоговых систем в основном может быть обеспечена на этапе проектирования. Поэтому уже с 70-х годов начали появляться первые теоретические работы, связанные с разработкой специальных методов синтеза, ориентированных на построение контролепригодных структур [1, 73, 87, 106, 199, 200].

Этой проблеме посвящено значительное число работ, однако, до настоящего времени ещё не разработаны общие принципы синтеза контролепригодных структур. Причиной этому, очевидно, следует считать, что нет точного определения, какую структуру считать контролепригодной и какими показателями контролепригодности её можно оценить.

В [85, 176] приводятся условия контролепригодности для комбинационных схем. Комбинационная схема считается контролепригодной, если она обладает следующими свойствами:

1. Имеет минимальный тест.

2. Отсутствуют неисправности в избыточной части схемы, которые полученный тест оставляет необнаруженными.

3. Тест легко генерируем, и находится без особого труда уже на этапе (или после) синтеза схемы.

4. Неисправность локализуется с заданной точностью.

Условий контролепригодности более сложных структур в литературе пока не приводится.

Анализ методов синтеза контролепригодных дискретных систем позволяет выделить три направления:

1. Методы, основанные на преобразовании структур [5, 107, 176].

2. Методы, основанные на реализации системой определенного класса функции [3, 107, 217, 220].

3. Методы, основанные на вероятностном подходе [59, 221, 223].

В [72] указывается на то, что улучшение тестируемости схемы возможно за счёт: расширения входного и (или) выходного алфавита, реализуемой функциивыбора элементного базисавыбора метода синтеза.

Известно [72], что наличие разветвлений в схемах чрезвычайно усложняет процесс автоматической генерации тестов и увеличивает длину теста. Поэтому при проектировании дискретных систем следует стремиться к уменьшению коэффициента объединения и разветвления.

Задачу построения контролепригодных систем можно сформулировать следующим образом.

Необходимо разработать метод преобразования автомата А, в автомат А' обладающим максимальной контролепригодностью. Преобразование может осуществляться путём расширения входного, выходного алфавитов и множества состояний, А и некоторым доопределением функций переходов и выходов в расширенной области.

Предел расширения автомата определяется тройкой чисел (S, V,?), где S, V — дополнительное число входных и выходных переменных;

I — множество состояний.

Требуется построить дискретный автомат, обладающий минимальной проверяющей последовательностью входных воздействий и минимальным количеством дополнительно вводимых контрольных точек для отыскания места, неисправности.

Классический подход к проектированию заключается в минимизации количества элементов, необходимых для реализации дискретного устройства.

Однако современный уровень технологии позволяет снизить требования к минимизации количества логических элементов и обратить внимание на другие критерии проектирования. К этим критериям можно отнести минимальное время на.

20 проектирование схем встроенного контроля.

Раздельная реализация входных функций комбинационного устройства. (КУ) обеспечивает простоту схем встроенного контроля, но при этом сложность комбинационного устройства сильно увеличивается.

Можно выделить следующие параметры, определяющие контролепригодность дискретных устройств:

1. Сложность дискретного устройства и схемы контроля.

2. Простота проектирования.

3. Степень самоконтроля.

4. Задержка времени в обнаружении места неисправности.

Методы, основанные на реализации дискретной системой определённого класса функций.

Один из подходов в проектировании контролепригодных систем состоит в исследовании структурных особенностей, реализуемых систем и нахождение классов функций и структур, для которых проверяющий тест строится наиболее просто [176].

В [107, 217] развиты результаты работы Редди, который предложил производить синтез схем, используя разложения Рида-Мюллера. В основу метода положено то, что, любая булева функция может, тестирована на одиночные константные неисправности тестом состоящим из п + 2щ + 4 тестовых входных воздействий, где пчисло входных переменных, щ — число входных переменных, входящих чётное число раз в конъюнкции разложения Рида-Мюллера.

Преимущество метода — определенные тестовые наборы, недостатокувеличение числа элементов.

Тест является легко генерируемым, если ввести одну дополнительную контрольную точку и один дополнительный элемент И, то в этом случае потребуется п + 4 тесовых наборов. Если задача синтеза стоит так, чтобы среди 2п канонических форм, которые можно построить для данной булевой функции, найти такую в которой щ = 0, то в этом случае для контроля технического состояния системы потребуется п + 4 тестовых входных воздействий и нет необходимости введения контрольной точки.

При использовании рассмотренного метода, разная реализация одной и той же функции может иметь разные диагностические свойства, факторы, определяющие эти свойства, очень сложны и плохо поддаются исследованию [107].

В [218] вводится ограничение, повышающее контролепригодность Я/ системы, где 31 — / - ая система с функцией /: В" 'т ~> В" ¦ - является со — ограниченной тогда и только тогда, если / такова, что.

ЯХо, г<>) = Хо- /(х2*-1, = х2^, и в таблице истинности отсутствуют строки (в том числе безразличные) с Хо и Хг" — • Тогда все одиночные и кратные константные неисправности одномерной итеративной системы обнаруживаются тестом, состоящим из двух наборов: 1) все значения входных воздействий равны нулю- 2) все значения входных воздействий равны единице.

В [3] для обеспечения контролепригодности принимается такая структурная реализация заданной логической функции, которая не является избыточной и не содержит разветвлений. Структуры, обладающие такими свойствами, называются древовидными.

С использованием элементом И и сумматора по модулю 2 в [107, 220] предлагается построить универсальное комбинационное дерево. На этой основе синтезирована контролепригодная последовательная схема, содержащая элементы Иисключающие ИЛИ — задержка. В синтезированных таким образом схемах обнаруживаются любые неисправности, при этом проверяющий тест содержит 2″ + 3 входных воздействий.

Методы, основанные на преобразовании структур

Разработка методов преобразования структур СРС с целью улучшения характеристик контролепригодности представляется особенно важной в связи с реализацией последних на больших интегральных схемах (БИС) с ограниченным числом доступных для проверок выводов [14].

Критериями проведения преобразований могут служить: а) для тестовых проверок:

• обеспечение полноты и сокращение числа проверок;

• повышение глубины поискаб) для кодовых проверок:

• повышение вероятности обнаружения ошибок;

• снижение затрат оборудования.

Методы, основанные на преобразовании структур, сводятся к изменению структур. При этом, под изменениями в большинстве случаев понимают [107]:

1. Добавление входных линий, позволяющих управлять потоками сигналов в устройстве и задавать в его узлах требуемые значения;

2. Добавление контрольных точек, позволяющих наблюдать внутренние соединения;

3. Добавление или изменение связей в исходной логической схеме;

4. Разделение схемы на подсхемы;

5. Добавление элементов.

В [87] рассматриваются следующие методы с целью улучшения контролепригодности дискретных структур:

1.

Введение

дополнительных входов и выходов с целью обеспечения доступности устройства;

2. Использование управляемых входов в контролируемом объекте;

3. Применение блокирующих вентилей;

4. Микропрограммное управление;

5. Применение системы принятия решений.

Применение дополнительных контрольных точек в [107] расценивается как нереальное. Такое утверждение является не правомочным, так как необходимо рассматривать уровень, на котором вводятся дополнительные контрольные точки. Если это на уровне элементов, то естественно нет смысла вводить контрольные точки, так как интегральные схемы являются законченным элементом и вряд ли кто-то в них будет вводить дополнительные входы и выходы. Здесь необходимо вести исследования о введении дополнительных контрольных точек на уровне блоков, систем. С использованием дополнительных контрольных точек сокращается длина теста и время определения места неисправности.

Хотя нигде явно не формируются ограничения на усложнения схемы, анализ предлагаемых решений показывает, что допустимым считается увеличение числа элементов в схеме (или площади кристалла) на 15−20% и число внешних контактов на 3−5% [72].

Из структурных методов повышения контролепригодности следует отметить использование микропрограммного управления, охватывающего всю систему. Запись тестов на языке микропрограмм позволяет существенно повысить разрешающую способность и довести её до 2−3. Поскольку сам микропрограммный принцип создает определённую регулярность в структуре, то это также способствует улучшению процесса проведения проверок. Кроме того, появляется возможность записи тестов не только в область ОЗУ, но и в область памяти, где хранятся микропрограммы, за счет использования специального преобразования микропрограмм. Преобразование микропрограмм требует дополнительного времени, а иногда и ячеек памяти. Применение микропрограммирования даёт возможность реализовать определенную разновидность декомпозиции, при которой каждой микрооперации ставится в соответствие оборудование, которое её реализует.

В [187] предлагается повышение контролепригодности системы путём её оптимального разбиения на блоки, при этом считается, что в исходной системе могут возникать неисправности только из заданного конечного множества.

F — { f, f2,., f m }, где каждая fi представляет собой простую или кратную п неисправность с вероятностью появления её Р,-(ХР.- = 1) — Входной.

1—1 последовательности Т = 7] ¦ 1'2¦.,.¦!], исходной системы соответствует разбиение Пт-{ ПиП-簾¦,!!(} множества F, где П, — максимальные по включению классы эквивалентных неисправностей. Это разбиение принимается за точность диагностирования системы с помощью последовательности Т. При сравнении различных разбиений вводится показатель, ?и (Пт), который определяется по формуле:

P>gP, м (Пт)—2—-, log" где п — число неисправностей в множестве F (n > 1);

Pj — суммарная вероятность неисправности из числа П, е Пт ¦ Значение ju (Пт) находится в пределах от 0 до 1 0 < ¡-и (Яг) ^ 1 — Показатель /./ (Пт) будет максимален при разбиении на одноэлементные классы (максимальная точность диагностирования). Минимален он будет при разбиении с одним классом, содержащим все неисправности из F (все неисправности неразличимы).

Максимально число подклассов разбиения каждого класса П, е Пт, которое может быть получено в результате использования «К» дополнительных контрольно точек, есть m-2Kf', где Iдлина слова в Т. В [226] предложен метод синтеза контролепригодных схем с разбиением схем на модули с одинаковым числом логических уровней.

Введение

дополнительных входов и выходов для комбинационной схемы рассмотрено в [114,., 118, 187, 212, 224, 225]. Комбинационную схему, построенную на элементах И, ИЛИ, И-НЕ, можно преобразовать используя замену элементов специальными двух или трёхэлементными подсхемами. Контролируя все выходы преобразованной комбинационной схемы, можно выявить в этом случае, любую кратную неисправность с помощью трёх входных воздействий. Недостатком этого метода является большая вводимая избыточность.

Для получения контролепригодной схемы в [71] предлагается её строить из таких элементов, каждый из которых наиболее просто проверяется в отдельности. При этом, если элемент, реализующий произвольную булеву функцию /, спроектировать таким образом, чтобы он кроме основной функции реализовывал функцию И (ИЛИ), то в схеме, построенной из таких элементов можно обнаружить любую неисправность не прибегая к генерации тестов, а за счет вводимой.

24 структурной избыточности.

Одним из перспективных методов построения контролепригодных структур можно положить метод, изложенный в [226, 227]. Этот метод позволяет избежать процесса генерации тестов. Для проверки схемы требуется знание синдрома, который определяется по числу выходных сигналов, эквивалентных логической единице, определяемых в зависимости от реализуемой функции.

В табл. 0.2 приведены зависимости, позволяющие оценить длину тестов для некоторых типов схем.

Вероятностный подход к синтезу контролепригодных систем.

Наряду с детерминированным подходом к определению тестовых воздействий используется и вероятностных подход, но для вероятностностных способов контроля характерно увеличение количества тестовых входных воздействий, для определения технического состояния, а также, нет гарантии, что весь заданный класс неисправностей будет обнаружен. Однако эти методы обладают таким достоинством, что позволяют довольно — таки просто определить тестовую последовательность. Среди множества методов можно выделить некоторые из них.

Один из них предусматривает наличие проверяемой схемы и эталонной схемы, а также наличия генератора случайных чисел.

Известен метод, позволяющий производить контроль систем в реальном масштабе времени, который носит название статистической идентификации схем [125]. Использование данного метода предполагает наличие статистической информации о классах неисправностей в контролируемой схеме, что не всегда возможно иметь.

Обеспечение контролепригодности микропроцессорных систем.

Развитие элементной базы проектируемых дискретных систем привело к появлению больших интегральных схем (БИС) сравнительно небольших по объёму, в то же время обладающих большими функциональными возможностями. Процесс миниатюризации практически ликвидировал возможность доступа к элементам схем, что выдвигает новые требования к оперативности контроля.

Проверку микропроцессорных систем затрудняет [85] отсутствие единой модели неисправности микропроцессоров, недостаточная информация о причинах отказов и необходимости проверки в рабочем режиме, близком к максимальному по быстродействию.

Неисправность г в микропроцессоре может быть выявлена тогда и только тогда, когда на исправном процессоре можно определить хотя бы один переход состояний 5 -> 5, который при наличии этой неисправности, выполняется в виде & ,.

25^, на которых выходные последовательности не совпадают между собой.

Все возможные неисправности в микропроцессоре можно привести к отказам двух типов [66].

1. Отказы, которые приводят к неправильному переходу в микропрограмме;

2. Отказы, которые приводят к изменению значения выходной последовательности.

В качестве математических моделей микропроцессоров рассматривают:

1. Композицию структурных элементов, выполняющих функции управляющих автоматов (УА), операционных устройств и регистров памяти [55].

2. Ориентированный граф О = (V, / '), V — множество вершин графа, Г: V [66]. Здесь V = гиАПС, где 2 — множество переменныхА — множество информационных операторовС — множество управляющих операторов.

Создание микропроцессорных систем с учётом контролепригодности должно содержать два этапа [125]:

• первый этап предполагает анализ разрабатываемой микропроцессорной системы, для определения объёма и структуры тестовых воздействий, при этом целесообразно рассматривать в виде композиции управляющих автоматов, операционных устройств и регистров памяти;

• второй этап предполагает разработку структурного решения, которое осуществляло бы стимулирование тестовых воздействий и анализ ответных выходных воздействий внутри самой микропроцессорной системы для того, чтобы снизить требования к внешним проверяющим устройствам, т. е. микропроцессорная система должна разрабатываться как регулярная структура и иметь возможность перестройки в режиме диагностирования. В табл.0.3 рассмотрена сравнительная характеристика методов диагностирования микропроцессорных систем.

С точки зрения повышения контролепригодности тенденции развития микропроцессоров и микропроцессорных систем следующие [107]:

1. Модульная организация микропроцессорных систем.

Функционально законченные блоки микропроцессорной системы имеют значительно меньше входных и выходных шин, чем их составные части в сумме, а значит их проще реализовать в виде БИС. Модульная и функциональная законченность в конечном итоге повышает контролепригодность системы, позволяя, приняв конструктивные меры, оговорённые выше, проводить контроль по — модульно.

2. Магистральный способ связи.

Он обеспечивает регулярность как структуры БИС микропроцессора, так и связей между конструктивными модулями на основе единого интерфейса.

3. Микропрограммная организация управления.

Секционированные микропроцессоры, в отличие от однокристальных, состоят из ряда БИС, в том числе и БИС микропрограммного управления. Доступность управления центрального процессора на микропроцессорном уровне качественно повышает контролепригодность системы в целом. Управляя извне их выполнением, можно проверить правильность выполнения каждой команды по тактам.

В [223] предлагается оценивать сложность структуры следующими факторами: концентрацией элементов в физическом объёме устройстваорганизацией структуры в надлежащем порядкефункциональной тождественностью ряда элементов. Для учёта влияния концентрации элементов на сложность структуры в качестве стандарта принята плотность монтажа для систем данного класса, достигнутая на определённом уровне развития техники.

Сложность системы (S) за счёт этого фактора, может быть оценена формулой:

Koi где Ка — фактическая концентрация элементов / - го функционального типа в объёме системы;

К0, — сложность монтажа элементов i — го типа, принятая за стандарт.

Для организации элементов в структуру они должны быть надлежащим образом соединены. Выражение сложности системы за счёт фактора организации имеет вид:

S2 = mlog2 N (N-1) — m-log2 m, где N — число деталейт — число соединений между соответствующими парами контактов.

Поскольку обычно т «N (N -1), то приближенно схему можно рассматривать возможностей.

Функциональная тождественность п элементов структуры приводит к уменьшению информационной меры сложности на величину:

S3 = -log2n!

Информационная мера сложности характеризует то наименьшее количество двоичных единиц, которое необходимо для описания структуры.

Затраты на программное обеспечение.

Стоимость (руб/программа) проектирования рабочей программы можно определить по формуле [223]:

Znp — Cn tnp + 4 tnpk ' С эвм + т,.

Тъ tnpp tnpnc где Сп — часовая ставка программиста — проектировщика (руб/час) — лр — время проектирования рабочей программы, состоящей из слагаемых tnpcсобственное время проектирования, в течение которого используются средства проектирования, чел.-чtnPPвремя проектирования, в течение которого используются резидентные средства проектирования, чел.-чtnPK— время проектирования, а течение которого используются кросс-средства проектирования, чел.-ч- 2прс~ стоимость средств проектирования, состоящая из слагаемых Zm, Zmmc,.

Znprp, Znpnc > Z пк — стоимость прототипного комплекта;

Zmmc — стоимость микромашинных средств;

Znprp — стоимость резидентных средств программирования;

Ztiptk — стоимость кросс программных средства — годовая амортизационная норма средств проектированияСэвмстоимость одного часа машинного времени, руб.;

Еннормативный коэффициент эффективности единовременных вложений.

Во всех случаях можно выделить три основных этапа проектирования [147]:

1) построение функциональной модели дискретной системы и начального технического задания;

2) построение динамической модели и последовательности её реализации;

3) построение структурной модели и проектирования её компонентов. Направления в обеспечении контролепригодности устройств и систем СРС можно разделить не структурное, основанное на использовании принципов декомпозиции по структуре, функциям, неисправностям, и специальное, связанное с использованием специальных приемов синтеза. Для СРС можно выделить: tnpc, tnpp, tnPK >

0.15).

• преобразование архитектуры, т. е. введения специальных команд, облегчающих проведение проверок;

• структурные преобразования, связанные с реализацией команд проверок, структурной реализацией встроенных генераторов тестов, введением управляющих и наблюдаемых контрольных точек;

• временные преобразования, связанные с изменением частот синхронизации, установлением периодов и времени проверки.

Из структурных методов повышения контролепригодности, охватывающих всю СРС в целом, следует отметить [218, 222] использование микропрограммного управления. Запись тестов на языке микропрограмм позволяет существенно повысить разрешающую способность и довести ее до 2−3. Поскольку сам микропрограммный принцип создаёт определенную регулярность в структуре, то это также способствует улучшению процесса проведения проверок. Кроме этого, появляется возможность записи тестов не только в области ОЗУ, но и в области памяти, где хранятся микропрограммы, за счет использования специальных преобразований микропрограмм. Преобразование микропрограмм требует только дополнительных затрат времени (иногда ячеек).

Применение микропрограммирования также даёт возможность реализовать определённую разновидность декомпозиции, при которой каждой микрооперации ставится в соответствие оборудование, которое ее реализует.

На основании проведённого анализа [1, 4, 54, 58, 68, 70, 71, 72, 73, 77, 79, 108, 129, 130, 136, 137, 139, 146, 148, 180, 181, 187 198, 199, 200, 201], в области обеспечения контролепригодности дискретных систем, можно выделить следующие вопросы, которые требуют разрешения:

1. Разработка методологических основ и методических материалов по обеспечению контролепригодности дискретных систем.

2. Оценка уровня контролепригодности дискретных систем с учётом сложности разработки и реализации процедур диагностирования в условиях эксплуатации;

3. Контролепригодность дискретных устройств при функциональном диагностировании и при построении перестраиваемых систем.

4. Получение простых количественных мер оценки уровня контролепригодности существующей и разрабатываемой дискретной аппаратуры до этапа построения программ проверок.

5. Разработка методов синтеза дискретных устройств, отвечающих заданным показателям контролепригодности, с одновременным построением тестов и процедур диагностирования.

6. Выделение класса контролепригодных видов структур, особенно для.

29 дискретных автоматов с памятью.

7. Разработка эффективных методов, методик и средств преобразования произвольных структур дискретных устройств к контролепригодному виду.

8. Определение необходимых и достаточных условий, которым должно удовлетворять разбиение системы, для того, чтобы контролировать дискретное устройство.

Таблица 0.2 п/п Тип схемы, литература Тип теста Класс проверяющий поиска дефекта Длина теста неисправностей.

1. Схема без разветвлений [78, 80,215] + лежит в границах 2л/га <Г (^)<" + 1 2<�Г (5ф)<[3?/] +1 где п — число входных полюсов схемыи — схемы в базисе элементов, реализующих соответственАР — о константа неисправности полюсов схемы, но функции Х &-Х2 (штрих Шеффера) и Х © Хг (неравнозначно сть).

2. Схема без разветвлений [78, 80, 215] — + п + 1< Т (Б^) < 2га АР1о-одиночные неисправности.

3. Nчисло логичес шэлементов в схеме произволь ного вида Ni — число двоич ных элементов па мяти [78, 80, 215] + 5 дг1 +^Лг + 2 < <�г (ад)< <5лгз1оя4Л/' А Ро (от 70% до 90%).

Таблица 0.3.

Методы диагностирова ния Контрольные метки времени Программные Метки Аппаратурные методы Метки операторов алгоритмов.

Вводимая избыточность Таймеры Более простой МП и ПЗУ Схемы свёртки, память, схемы сравнения, сублирование, избыточность достигает 100% Схема свёртки, счётчик, схема сравнения, память.

Эффективность диагностирования Вероятность обнаружения дефектов низкая, причём обнаружение неисправносте й происходит по истечению некоторого времени Вероятность обнаружения дефектов средняя. Обнаружение дефектов происходит по истечению некоторого промежутка времени Вероятность обнаружения дефектов высокая, но по истечению некоторого времени Вероятность обнаружения дефектов средняя, но с большой оперативностью.

Преобразование алгоритма управления Разбиение на участки с одинаковым временем работы Выделение контролируемых команд Разбиение на участки с нахождением для каждого по свёртки Вставление пустых операторов таким образом, чтобы метки чередовались в строгой последовательности.

Структуры, реализующие однородные булевы функции [219].

0.3. Математическая постановка задачи исследования.

Общей задачей является определение вида технического состояния СРС. Решение этой задачи предполагает наличие диагностической модели СРС, которая зависит от свойств СРС, её контролепригодности, целевого содержания контроля и условий его осуществления. В общем, виде модель СРС может быть представлена упорядоченным множеством [102].

А = (Т, Х, г, У,<2,/3,а), где Т — множество моментов времени, в которые наблюдается СРСХ, 2 — множество входных и выходных сигналов соответственно;

2 — множество состояний СРС;

3 — оператор переходов, отражающий механизм изменения состояния СРС под действием внутренних и внешних воздействийа — оператор выходов, описьшающий механизм формирования выходного сигнала как реакции аппаратуры на внутренние и внешние возмущенияУ — множество управляющих входных сигналов. Оператор/? и, а реализуют отображения:: ГхХх? хУ->?- а: ГхХх?>хУ->2. Всякое состояния аппаратуры д&О, характеризуется в каждый момент времени / е Т набором переменных изменяющихся под влиянием входных воздействий и внутренних возмущений.

Исходя из этого, задача наблюдения состояний в том, чтобы на основе известного выходного процесса г (1.) определить неизвестное состояние аппаратуры ?/(/) е (), тде г (1) и д (Г) — вектор функции.

Необходимым и достаточным условием полной наблюдаемости СРС является условие, при котором каждый элемент в случае фиксированных элементов еТ и х (() е! имеет в качестве прообраза единичный элемент ц{1) е (}. Это означает, что всякому изменению вектора выхода г (1.) е 2 при фиксированном векторе х{1) е X соответствует определенное изменение вектора состояния СРС.

Итак, первым этапом при реализации процесса определения технического состояния СРС является решение задачи наблюдения, т. е. отношения такого отображения которое при фиксированных значениях I е Т, х ({) е X обеспечивает полную наблюдаемость аппаратуры.

Полная наблюдаемость состояния СРС достигается соответствующим выбором в ней выходных контрольных точек и управляющих воздействий, реализуемых для целей наблюдения за техническим состоянием объекта.

Исходя из этого можно сформулировать следующий этап определения технического состояния СРС: всякому необходимому состоянию аппаратуры должен быть поставлен в соответствие единственный вид технического состояния. В этом случае множество состояний аппаратуры разбивается на конечное число классов, каждый из которых соответствует определенному виду технического состояния. Таким образом, решение поставленных вопросов сводится к построению модели контролируемой аппаратуры. На основании этой модели определяется истинное состояние СРС с учетом возможных ошибок при контроле. Это будет составлять третий этап определения технического состояния СРС.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что в определении технического состояния СРС можно выделить три этапа:

1 этап — На этом этапе решается задача наблюдения технического состояния СРС, а: ГхХх0хУ->2.

2 этап — В процессе выполнения этого этапа осуществляется отнесение наблюдаемого технического состояния СРС к одному из заданных видов её технического состояния где Е — множество видов технического состояния СРС.

3 этап — На этом этапе определённому виду технического состояния СРС ставиться в соответствие вполне конкретное решение 5 о её истинном техническом состоянии с учётом вероятностных характеристик возможных ошибок при контроле цг.

Рассматривая современные СРС как объект диагноза, можно выделить следующие особенности [88]:

• высокую размерность моделей, используемых для описания, с целью построения процедур программы проверки;

• интеграцию в малом объёме, при ограниченном числе входов и выходов, большого числа логических элементов;

• изменение характера отказов за счёт усовершенствования интегральной технологии;

• наличие различных форм представления информации и методов её обработки.

Требуется найти оптимальную аппаратно-программную избыточность U, чтобы структура СРС обладала максимальным уровнем контролепригодности.

Уш (ит)= пихУет (г/),.

ЩДОП где Ут (U) — обобщённый показатель уровня контролепригодностии}д°пмножество вариантов аппаратно-программной избыточности, элементы которого удовлетворяют ограничениям: и}д°п с U — универсумcard U = 215.

ВЫВОДЫ ПО 3-ей ГЛАВЕ.

В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана методика расчета уровня приспособленности СРС и систем в нее входящих как при организации тестового, так и функционального диагностирования. Применение разработанной методики позволяет сравнить системы одного класса, с точки зрения контролепригодности и обоснованно сделать выбор.

2. Разработаны требования к СРС с точки зрения контролепригодности, которые должны быть предъявлены к ней на этапе эскизного проектирования.

3. Предложены структуры контролепригодных систем СРС, обладающие заданными характеристиками контролепригодности, средняя избыточность вносимая для достижения заданного уровня контролепригодности составляет 0,31, для системы контроля потенциала на корпусе значение Кгп увеличивается в 1,2 раза.

4. Рассмотрен подход к организации технического обслуживания контролепригодной СРС.

5.Разработан алгоритм прогнозирования надёжности космической аппаратуры с длительным сроком активного существования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенных в работе исследований сформулированы следующие выводы:

1. Определен объем показателей контролепригодности, позволяющий оценить приспособленность сложных радиотехнических систем к определению технического состояния. Введены для этого понятия: Тпригодности и Ф-пригодности, конструктивной, технологической и диагностической контролепригодности, как составляющих общей контролепригодности.

2. Разработана методика расчета уровня приспособленности СРС, систем и устройств, выполненных на отдельной плате, к техническому диагностированию, как при осуществлении тестового, так и функционального диагностирования.

Применение разработанной методики оценки уровня приспособленности к определению технического состояния позволит сравнить СРС, типовые элементы замены (ТЭЗ), аналогичные по решаемым задачам, по приспособленности к техническому диагностированию и выбрать то, что удовлетворяет заданным требованиям. С этой целью в работе рассмотрено два различных подхода для выбора рациональной структуры СРС, на базе весовых коэффициентов и на базе метода уступок.

Для того чтобы осуществлять диагностирования с заданной глубиной, необходимо на этапе проектирования заложить определенные схемотехнические решения, которые направлены на повышение контролепригодности. Если при проектировании СРС исходить с позиции контролепригодности, то весь процесс ее разработки должен начинаться с того, чтобы первоначально обеспечить максимально возможную контролепригодность, а далее, если это необходимо, используя полученную структуру строить само диагностируемые или отказоустойчивые системы.

3. Рассмотрено на качественном уровне влияние изменения введённых показателей контролепригодности СРС на такие ее характеристики, как: стоимость, избыточность, вероятность необнаруженного отказа, достоверность функционирования, время восстановления, вероятность безотказной работы и погрешность измерения, т. е. если необходимо изменить значение того или иного показателя контролепригодности, то можно проследить к изменение каких характеристик аппаратуры это приведёт.

4. Разработана методика синтеза контр олепригодных систем СРС. Синтезированные с её помощью структуры позволяют, на этапе эксплуатации, повысить достоверность функционирования аппаратуры контроля более чем на 4,5% по сравнению с применяемой штатной аппаратурой и сократить:

• время проверки технического состояния, от которого зависит значение коэффициента оперативности самопроверки, увеличивающегося более чем в 2 раза;

• трудозатраты на проведение регламента, которые определяют значение коэффициента средней трудоемкости подготовки ЭРА к самопроверке, его значение возрастает в 1,5 раза;

• время локализации неисправности, зависящее от значения коэффициента глубины поиска дефекта, который увеличивается на 8 процентов.

Вводятся общие требования, которые целесообразно предъявлять к СРС, с точки зрения её контролепригодности.

5. Предложены возможные подходы к увеличению технологической и конструктивной контролепригодности СРС. Рассмотрены контролепригодные структуры систем, входящих в состав СРС. В разработанных системах коэффициент глубины поиска дефекта приближается к единице, для системы контроля потенциала на корпусе значение Кгп увеличивается в 1,2 раза.

Достоинством разработанных систем, по отношению к существующим является:

• повышение достоверности принятия решения о состоянии объекта контроля;

• сокращение времени обнаружения и отыскания неисправности;

• повышение безопасности проведения проверок объекта контроля.

Эксплуатация контролепригодной СРС позволяет:

• сократить общее количество обслуживающего персонала СРС;

• снизить требования к уровню подготовки обслуживающего персонала;

• уменьшить износ СРС за счёт сокращения времени проверки;

• уменьшить время ремонта СРС, за счёт ускорения процесса отыскания места неисправности в ней;

• сократить необходимый объём запасных блоков СРС, за счёт более высокой достоверности функционирования;

• повысить общую эффективность функционирования проверяемой СРС.