Тихменев, Александр Николаевич. Метод имитационного моделирования для проектной оценки показателей безотказности структурно-сложной радиоэлектронной аппаратуры

Краткое описание

Тихменев, Александр Николаевич. Метод имитационного моделирования для проектной оценки показателей безотказности структурно-сложной радиоэлектронной аппаратуры : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.12 / Тихменев Александр Николаевич; [Место защиты: Волгогр. гос. техн. ун-т].- Москва, 2013.- 211 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/1831

Московский институт электроники и математики федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
На правах рукописи

Тихменев Александр Николаевич
МЕТОД ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТНОЙ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ СТРУКТУРНО¬СЛОЖНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования
(промышленность)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
Кандидат технических наук, доцент Жаднов Валерий Владимирович
Москва-2013 г.
Введение 4
1 Глава. АНАЛИЗ ПРОЕКТНОЙ ПРОЦЕДУРЫ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 10
1.1 Процедуры обеспечения надежности при проектировании РЭА 13
1.2 Типовая процедура расчетной оценки надежности РЭА 18
1.3 Анализ методов оценки показателей безотказности 30
1.4 Анализ методов имитационного моделирования 38
1.5 Постановка задач диссертационной работы 45
1.6 Выводы по главе 1 46
2 Глава. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ СТРУКТУРНО-СЛОЖНОЙ РЭА 49
2.1 Тип моделей 50
2.2 Модель отказа компонента 51
2.3 Способ задания структуры РЭА 56
2.4 Структурно-сложный компонент РЭА 57
2.5 Модель РЭА 59
2.6 Алгоритм имитационного эксперимента 65
2.7 Средства языка моделирования 67
2.8 Выводы по главе 2 72
3 Глава. РАЗРАБОТКА ЯЗЫКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТКАЗОВ РЕКОНФИГУРАЦИЙ РЭА И ПОДСИСТЕМЫ АСОНИКА-К-РЭС 74
3.1 Синтаксис базовых элементов языка 74
3.2 Семантики базовых элементов языка 77
3.3 Синтаксис специализированных элементов языка 82
3.4 Семантика составных элементов языка 85
3.5 Структурирование и передача управления 90
3.6 Встроенные функции 93
3.7 Проектирование структуры программного средства 95
3.8 Численные эксперименты 111
3.9 Выводы по главе 3 115
4 Глава. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДИК 117
4.1 Разработка модели блока телеметрии 117
4.2 Анализ результатов моделирования блока телеметрии 126
4.3 Построение модели РЭА с комплектом ЗИП 129
4.4 Сравнительный анализ применения имитационного моделирования и
развития аналитических моделей для систем ЗИП 133
4.5 Методика расчетной оценки показателей безотказности структурно¬сложной РЭА 137
4.6 Методика анализа проектных решений по обеспечению надежности
структурно-сложной РЭА 139
4.7 Выводы по главе 4 142
Заключение 144
Список литературы 147
Приложение 1 Акты внедрения 158
Приложение 2 Копия свидетельства о государственной регистрации программы
для ЭВМ 165
Приложение 3 Подсистема АСОНКИА-К-РЭС Описание применения.
Руководство оператора 167
Введение
Актуальность работы. Развитие радиоэлектронной промышленности и средств САПР приводит к быстрому росту функциональности выпускаемых изделий и усложнению структуры радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при одновременном повышении требований к ее надежности, что требует развития методов анализа структурной безотказности, и, в первую очередь, автоматизированных средств, пригодных к использованию в САПР предприятий. На качество процесса проектирования отрицательно влияет недостаточное математическое обеспечение исследований надежности. Используемые модели и ПО имеют ряд недостатков, главным из которых является то, что они позволяют получить точную оценку показателей безотказности только в отдельных случаях. Для большинства применений, особенно для бортовой аппаратуры, требуется длительный анализ, не поддающийся автоматизации, результатом которого часто является только «нижняя» оценка показателей безотказности. Такая оценка пригодна для подтверждения требований ТЗ, но не дает возможности провести сравнительный анализ различных вариантов реализаций структуры РЭА по уровню безотказности. Это затрудняет принятие проектных решений и может привести к неоправданному применению дополнительных мер по повышению надежности, что влечет дополнительные затраты времени и средств на проектирование и негативно сказывается на себестоимости, массогабаритных характеристиках и, в конечном итоге, на конкурентоспособности РЭА.
Тематика проектной оценки показателей надежности освещена во
многих исследованиях, посвященных как вопросам проектирования радиоэлектронной аппаратуры, так и методам теории надежности. К основным работам в этой области следует отнести труды И.А. Ушакова[1], Б.А.
Козлова[2,3], Г.В. Дружинина [4], А.М. Половко [5], С.В. Гурова [5,6], А.Я. Резиновского[8], О.В. Абрамова[9], В.А. Каштанова [10], А.И. Медведева, В.В Липаева[11], Ю.Н. Кофанова[ 11,12] и др. В их работах разработаны общие вопросы оценки надежности восстанавливаемых и невосстанавливаемых систем, включая оценку надежности резервированных изделий. Для расчетов, как правило, используются аналитические методы, а расчетные формулы выводятся для ограниченного набора типовых структур и их комбинаций. Для случаев, не сводящихся к типовому набору структур, предлагается ряд методов по оценке нижних значений показателей надежности. При этом имитационное моделирование признается перспективным методом, применение которого ограничено недостаточным программным и математическим обеспечением ( И.А. Ушаков [1], А.М. Половко [5]). Способы применения имитационного моделирования для решения задачи оценки показателей надежности рассматривались в работах Г.Н. Черкесова [13,14], Л.К. Горского[15], Б. В. Гнеденко[16], И.Н. Коваленко[17], Н.Ю. Кузнецов [18] и др. Однако в этих работах не приводятся модели, применимые к устройствам со сложными критериями отказов и изменяющимися режимами работы.
Это приводит к трудностям в оценке структурной надежности на этапах проектирования, что влияет на качество проектных решений и увеличивает вероятность ошибок при проектировании. Поэтому актуальной задачей является разработка метода исследования надежности РЭА, позволяющего адекватно учесть алгоритмы реконфигурации и резервирования при оценке показателей безотказности.
Объект исследования: Типовая процедура расчетной оценки надежности
РЭА.
Предмет исследования: Методы, модели и алгоритмы, применимые для анализа проектного уровня надежности структурно-сложной РЭА.
Цели и задачи работы: повышение качества проектных работ за счет разработки и внедрения нового автоматизированного метода анализа надежности
структурно-сложной аппаратуры, учитывающего ее алгоритмы функционирования и реконфигурации.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• Анализ современных процедур обеспечения надежности, применяемых при проектировании РЭА.
• Анализ методов и методик оценки проектной надежности структурно¬сложной РЭА.
• Разработка математического обеспечения:
о модели реконфигурируемого РЭА, применимой к широкому спектру структур и алгоритмов реконфигурации о алгоритмов решения модели и оценки на ее основе показателей безотказности.
• Разработка лингвистического обеспечения в виде языка моделирования со встроенными средствами описания структуры, алгоритмов реконфигураций и критериев отказов РЭА.
• Разработка и реализация структуры программного обеспечения со следующим функционалом:
о Преобразование формальной модели РЭА в программную; о Верификация программной модели на соответствие алгоритмам функционирования и реконфигурации исследуемого РЭА; о Проведение имитационных экспериментов и обработка их результатов (оценка проектных показателей надежности РЭА).
• Разработка методического обеспечения процедуры расчетной оценки проектного уровня надежности РЭА:
о инженерной методики создания и верификации моделей структурно¬сложной РЭА;
о инженерной методики анализа проектных решений схемы расчета надежности (СРН) и алгоритма реконфигурации РЭА.
При решении задач диссертационного исследования были получены следующие новые научные результаты:
1. разработана унифицированная модель элемента СРН РЭА, в отличие от известных не привязанная к конкретной реализации структуры и позволяющая учитывать смену законов распределения наработки при формировании временной диаграммы состояний (ВДС);
2. создана модель структурно-сложной РЭА, которая отличается тем, что описывает алгоритмы реконфигурации, критерии отказов и не требует описания всех возможных комбинаций состояний компонентов;
3. предложен метод расчетной оценки показателей безотказности РЭА, который существенно повышает точность оценки за счет формирования ВДС с учетом реконфигураций;
4. разработана новая инженерная методика анализа проектных решений структуры и алгоритма реконфигурации РЭА с точки зрения обеспечения требуемого уровня безотказности, которая позволяет сократить сроки проведения сравнительного анализа альтернативных вариантов.
Теоретическая значимость заключается в разработанных моделях и методе оценки показателей безотказности, которые могут в дальнейшем использоваться в ПО САПР для совершенствования процесса анализа проектных решений и сокращения сроков проектирования радиоэлектронной аппаратуры, а также при верификации аналитических моделей и анализе влияния различных допущений в них на точность расчетной оценки.
Практическую значимость имеют результаты работы, предназначенные для использования в процессе проектирования структурно-сложной РЭА, а именно:
1. предложенный способ формализации описания СРН реконфигурируемой РЭА, в виде специализированного языка, что позволяет в сжатые сроки разрабатывать модели сложных РЭА;
2. разработанное программное обеспечение, реализующее создание и верификацию моделей реконфигурируемых РЭА и автоматизированную оценку показателей безотказности;
3. разработанное методическое обеспечение, которое значительно снижает трудозатраты на анализ проектных решений по обеспечению уровня безотказности.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. унифицированная модель элемента СРН РЭА, предназначенная для формирования реализации его временной диаграммы состояний на основе распределений наработок;
2. модель РЭА позволяющая сформировать реализацию временной диаграммы состояний на основе состава, алгоритмов функционирования и реконфигураций;
3. автоматизированный метод расчетной оценки показателей безотказности структурно-сложной РЭА на основе имитационного моделирования;
4. инженерная методика анализа проектных решений по обеспечению безотказности структурно сложной и/или реконфигурируемой РЭА.
Достоверность работы основывается на использовании известных принципов имитационного моделирования, положений теории надежности, теории реализации языков программирования и подтверждается результатами численных экспериментов, демонстрирующих сходимость результатов моделирования при одинаковых исходных данных к аналитическим моделям и ожидаемые отклонения при учете дополнительных факторов.
Апробация работы осуществлялась в ходе докладов и обсуждений на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010-2012), Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий» -
ИННОВАТИКА (Сочи, 2010-2011), Международной студенческой школе- семинаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2010-2012), Всероссийской конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2011-2012), II Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия» (г. Каменск-уральский, 2010, 2013), Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, 2010-2012), II Всероссийской научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами» (Москва, 2012), Международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» (Прага, 2012), научном семинаре «Надежность и качество функционирования систем» (Москва, 2012), X Всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвящённые памяти профессора Н.Е. Жуковского» (Москва, 2013), что подтверждает актуальность проведенного исследования и достоверность его результатов.
По теме диссертационной работы опубликовано 29 научных трудов, в том числе 17 статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, 12 тезисов докладов и получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Практическая значимость работы и эффективность разработанных средств САПР подтверждается внедрением в практику проектирования на ОАО «Научно- исследовательский институт точных приборов» (г. Москва), ОАО «НИИ Аргон» (г. Москва), ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор» (г. Тамбов), ООО «Вега- Газ» (г. Москва).

Список литературы

Заключение
Представленный в диссертационной работе материал посвящен разработке метода проектной оценки показателей безотказности, а также моделей и средств для анализа проектных решений. Полученные в ходе работы результаты существенно повышают качество процесса проектирования структурно-сложной РЭА и снижают трудозатраты на проектную процедуру расчетной оценки уровня безотказности. Достоверность результатов работы подтверждена рядом численных экспериментов, а ее практическая значимость и ценность - опытом внедрения в процесс проектирования предприятий радиоэлектронной промышленности и учебный процесс ВУЗов.
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. выполнен анализ современных процедур обеспечения надежности, применяемых при проектировании РЭА и на его основе показано, что для бортовой аппаратуры применяется резервирование с индивидуальными алгоритмами подключения резерва;
2. проведен анализ методов и методик оценки проектной надежности структурно-сложной РЭА, который выявил недостатки существующего обеспечения САПР для расчета показателей безотказности структурно¬сложной аппаратуры с уникальными алгоритмами резервирования;
3. разработано математическое обеспечение САПР в составе:
a. унифицированная модель компонента РЭА, в отличии от известных, не привязана к конкретной реализации структуры СРН и позволяет учитывать смену законов распределения наработки при формировании временной диаграммы состояний;
b. модель реконфигурируемого РЭА, применимая к широкому спектру реализаций СРН и отличается от известных тем, что описывает алгоритмы реконфигурации, критерии отказов и не требует анализа всех возможных комбинаций состояний компонентов;
с. алгоритмы решения модели, обеспечивающие корректное выполнение имитационных экспериментов и оценку на их основе показателей безотказности РЭА;
4. разработано лингвистическое обеспечение в виде специализированного языка моделирования со встроенными средствами описания структуры, алгоритмов реконфигураций и критериев отказов РЭА, позволяющее формализовать СРН РЭА для синтеза программной модели и выполнения имитационных экспериментов;
5. разработана и реализована структура программного обеспечения со следующими функционалом:
a. преобразование формальной модели РЭА в программную;
b. верификация программной модели на соответствие алгоритмам функционирования и реконфигурации исследуемого РЭА;
c. проведение имитационных экспериментов и обработка их результатов
(оценка проектных показателей надежности РЭА);
6. разработано методическое обеспечение процедуры расчетной оценки проектного уровня надежности РЭА для анализа проектных решений структуры и алгоритма реконфигурации РЭА с точки зрения обеспечения требуемого уровня безотказности, которая позволяет сократить сроки проведения сравнительного анализа альтернативных вариантов в составе:
a. инженерная методика создания и верификации моделей структурно¬
сложной РЭА;
b. инженерная методика анализа проектных решений СРН и алгоритма
реконфигурации РЭА;
7. результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского института электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» и Пензенского государственного университета (см. Приложение 1);
8. результаты диссертационной работы внедрены в инженерную практику обеспечения надежности при проектировании структурно-сложной РЭА на предприятиях ОАО «Научно-исследовательский институт точных приборов» (г. Москва), ФГУП «Научно- исследовательский институт «Аргон» (г. Москва), ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор» (г. Тамбов), ООО «Вега- Газ» (г. Москва) (см. Приложение 1).
Полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что все задачи, поставленные в диссертационной работе, решены. Таким образом достигнута цель работы, а именно обеспечено повышение качества проектных работ за счет разработки и внедрения нового автоматизированного метода анализа надежности структурно-сложной аппаратуры, учитывающего ее алгоритмы функционирования и реконфигурации.
Работа ориентирована на дальнейшее практическое применение результатов при проектировании структурно-сложной РЭА ответственного применения, но также возможно использование в исследовательской деятельности. В работе продемонстрирована полезность применения подсистемы АСОНИКА-К-РЭС как высокоточного инструмента для оценки показателей безотказности при разработке или исследованиях аналитических моделей структурно-сложной РЭА.
Также разработанные модели могут быть развиты для использования в задачах оценки показателей надежности систем «Изделие-ЗИП» с многоуровневой структурой ЗИП и/или структурно-сложным изделием. Возможными направлениями дальнейшего развития моделей и средств, предложенных в работе, являются автоматизация синтезирования требований по надежности СЧ, оптимизация структуры изделия, так как данные задачи в рамках работы не рассматривались.
Список литературы
1. Беляев Ю. К. Надежность технических систем: Справочник/ Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин и др.; Под ред. И. А. Ушакова. — М.: Радио и связь, 1985.— 608 с
2. Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики / И.А. Ушаков, Б.А. Козлов. — М.: Сов. радио, 1975. — 472 с.
3. Козлов Б. А. Резервирование с восстановлением. (Библиотека инженера по надежности.) / Б. А. Козлов — М., «Сов. радио», 1969. —150 с.
4. Дружинин, Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем / Г.В. Дружинин. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 480 с.
5. Половко А.М. Основы теории надежности / А.М. Половко, С.В. Гуров — С-Пб.:БХВ-Петербург, 2006 — 702 с.
6. Гуров С.В. Анализ надежности технических систем с произвольными законами распределений отказов и восстановлений / С.В. Гуров // Качество и надежность изделий— 1992 — №2 (18).
7. Резиновский, А. Я.Испытания на надежность радиоэлектронных комплексов / А. Я. Резиновский. - М. : Радио и связь, 1985. - 168 с.
8. Абрамов О.В. Прогнозирование состояния технических систем /
О .В. Абрамов, А.Н.Розенбаум. - М.: Наука, 1990. — 126 с.
9. Каштанов В.А. Теория надежности сложных систем: учебное пособие /
В.А.Каштанов, А.И.Медведев - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010 г. - 606 с.
10. Липаев В.В. Надежность программных средств / В.В. Липаев. - М.: Синтег, 1998 г. - 232 с.
11. Кофанов Ю. Н. Моделирование и обеспечение надёжности технических систем / Ю. Н. Кофанов - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 327 с.
12. Кофанов Ю.Н. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры / Ю.Н.Кофанов, Н.В.Малютин,
А.В.Сарафанов и др. - М.: Радио и связь, 2000. - 389 с.
13. Черкесов Г.Н. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем / Г.Н. Черкесов, И.А. Рябинин. - М.: Радио и связь, 1981. - 264 с.
14. Черкесов Г.Н. Методы и модели оценки живучести сложных систем/ Г.Н.Черкесов. - М.: Знание, 1987. - 55 с.
15. Горский Л.К. Статистические алгоритмы исследования надежности / JI.K. Горский. - М.: Наука 1970г. - 400 с.