CC BY
165
УДК 62-192
Юрков Н.К.*, Затылкин А.В.*, Полесский С.Н.**, Иванов И.А.**, Лысенко А.В.*
* Пензенский государственный университет
** Высшая школа экономики
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В стандартах ISO серии 9000 приведены процедуры системы качества, направленные на обеспечение и гарантию реализации заложенных уровней надёжности. Поэтому очевидно, что в ряде этапов жизненного цикла сложных электронных систем (СЭС) ответственного назначения особое место занимает этап проектирования, так как именно на этом этапе закладывается та надёжность, которая будет реализована при изготовлении и поддерживаться при эксплуатации, что особенно важно для современных СЭС, у которых:
усложняется структура объектов установки (носителей) и самих СЭС;
возрастают риски на всём протяжении жизненного цикла СЭС (разработка и проектирование, производство и испытания, эксплуатация и обслуживание);
растет критичность отказов электронных средств (ЭС) и их последствий не только для предпри-ятий-разработчиков и эксплуатирующих организаций;
увеличивается стоимость «ошибки» (отказа как такового, мероприятий по его устранению, перепроектированию, нерационально организованного технического обслуживания и ремонта);
растет роль «человеческого фактора».
Это нашло прямое отражение в [2] , что подтверждает хотя бы простое сравнение объемов типовых перечней мероприятий по обеспечению надёжности и функциональной безопасности СЭС на разных этапах её жизненного цикла. Если принять во внимание, что разработка СЭС представляет собой итерационный процесс поиска оптимального (Парето оптимального) решения по критерию обеспечения требуемого уровня качества в рамках заданных ограничений, то становиться ясной важность именно ранних стадий (эскизного проектирования (ЭП) и технического проектирования - ТП). Результатом проведения мероприятий «Программы обеспечения надёжности при разработке» (ПОНр) на этих этапах должна быть минимизация числа вариантов построения сложных СЭС и общего числа итераций всего процесса проектирования.
С другой стороны, также очевидна органическая связь задач обеспечения надёжности и качества: группа показателей надёжности входит в номенклатуру групп показателей качества, а характеристики надёжности СЭС относятся к тем показателям, для которых возможна (и необходима!) количественная оценка, что позволяет оценить уровень функциональной безопасности [5] . На ранних этапах проектирования получение численных значений характеристик надёжности немыслимо без широкого использования методов математического моделирования, в первую очередь, вероятностных, что так же нашло свое отражение в [2, 6]. Здесь сознательно не упоминаются экспериментальные методы обеспечения надёжности, базирующиеся на исследованиях и испытаниях макетных и опытных образцов, так как их уверенно вытесняют методы математического моделирования, и удельный вес этих методов ранних этапах проектирования СЭС постоянно снижается .
На рисунке 1 приведена функциональная модель процесса применения методов математического моделирования, отражающая последовательность решения задач при проектировании СЭС. В названиях блоков на рисунке 1 отражены задачи, а в круглых скобках даны условные номера методов, применяемых при решении каждой из них. Так, например, блоки А1 и А2 предусматривают применение по определенному алгоритму методов управления проектами, управления электронным документооборотом, а также методов синтеза математических моделей, основанных на использовании различных моделей. Применение моделей различного вида позволяет исследовать, например, схему принципиальную электрическую СЭС, как на уровне электронных модулей (ЭМ) - структурная модель, так и на уровне электрорадиоизделий (ЭРИ) -топологическая модель. Блок А5 предусматривает применение по определенному алгоритму методов управления проектами, управления электронным документооборотом, а также синтез топологических моделей физических процессов, протекающих в ЭС (электрических, тепловых, механических, радиационных и др.), и моделей монтажного пространства, применяемых для задач размещения и трассировки [2] .
Введение на рисунке 1 задач моделирования физических процессов обусловлено не только тем, что результаты анализа этих моделей (режимы работы ЭРИ, уровни внешних воздействующих факторов и др.) используются в блоках А3, А4 и А7 при решении задач, связанных с обеспечением надежности СЭС, но и тем, что развитие методов решения таких задач послужило одной из главных причин создания информационных технологий (ИТ) обеспечения показателей надежности СЭС.
При проектировании СЭС решение задач расчета показателей надежности (как и расчета любых других характеристик) регламентируется инженерными методиками (см., например, [7 - 9]), которые
представляются в виде стандартов предприятий (а в системах менеджмента качества (СМК) - докумен-
тированных процедур). Другими словами, методики представляют собой описание операций процессов СМК. Несмотря на то, что процесс проектирования СЭС представляет собой итерационный процесс, что является принципиальным отличием его от технологических процессов производства, в соответствии с рекомендациями ISO 9001 процесс проектирования должен рассматриваться как технологический процесс .
при проектирования СЭС: 1 - методы управления проектами; 2 - методы управления документооборотом (данными); 3 - методы принятия проектных решений; 4, 5, 6 - методы синтеза математических моделей (аналитических, структурных и топологических) СЭС и СЧ; 7 - методы моделирования отказов (СЭС, СЧ и ЭРИ); 8 - методы анализа физических процессов (электрических, тепловых и т.д.) и геометрического проектирования (компоновки, размещения, трассировки); 9 - методы параметрической оптимизации и идентификации (скалярной и векторной).
С этой точки зрения ЭП и ТП представляют собой технологические процессы синтеза информационной модели СЭС (комплекта конструкторской документации), а совокупность исходной информации (исходных материалов), инженерных методик (оборудования), проектных задач (операций), а также последовательность их выполнения составляют технологию проектирования. Если при выполнении каждой операции решаются задачи обеспечения надёжности, то такая технология является надежностно-ориентированной. В качестве примера такой технологии можно привести методы, приведенные в [б] . Другим важным аспектом процесса применения методов математического моделирования при проектировании СЭС является не только обмен данными между моделями различного вида, но и создание информационной модели СЭС (виртуального макета) [10] .
Поэтому основой для создания ИТ обеспечения надежности СЭС послужили требования и рекомендации международных стандартов в области качества (ISO серии 9000) и обеспечения функциональной безопасности (МЭК 61508), CALS-технологий (ISO серии 10303), Российских военных стандартов (КГВС «Мороз-6» и «Климат-7»). Разработанная технология базируется на мероприятиях ПОНр [2], которые были существенно переработаны и интегрированы в инфраструктуру ИПИ-технологий. Функциональная модель ИТ обеспечения надежности и функциональной безопасности СЭС приведена на рисунке 2.
Главным отличием операций технологии, приведенной на рисунке 2, от мероприятий ПОНр является то, что каждая операция заканчивается расчётом надёжности, а итоговой операцией является проведения оценки контролепригодности, как одного из важных факторов выпуска качественной продукции.
Рисунок 2 - Функциональная модель ИТ обеспечения функциональной безопасности СЭС
Именно эти результаты служат основным критерием оценки качества проектных решений и являются составной частью общей ИТ СЭС. Как видно из рисунка 2, ИТ представляет собой последовательность операций над электронной (виртуальной) моделью СЭС («А13: Электронная модель надежности и функциональной безопасности сложной ЭС»), выполнение которых регламентируется соответствующими методиками, как общеинженерными («А1: Анализ ТЗ», «А2: Обоснование и выбор прототипа сложной ЭС, конструкции и ЭКБ», «А7: Схемотехническое конструкторское, топологическое моделирование», «Аб: Разработка ЧТЗ на СЧ»), так и специально разработанными для реализации данной технологии. А именно: методиками автоматизированного расчёта и обеспечения надёжности электронной компонентной базы (ЭКБ) , электронных модулей (ЭМ) и СЭС в целом (блоки А4, А5, А9, А10, А11) ;
методиками автоматизированного анализа результатов расчётов надёжности ЭКБ, ЭМ и ЭС в целом (блок А13);
методиками информационной поддержки расчётов надёжности, в том числе: методиками идентификации параметров моделей надёжности ЭКБ (блок А9); методиками идентификации параметров макромоделей надёжности ЭМ (блок А10);
методиками мониторинга справочной информации о характеристиках надежности ЭКБ (блок А4); методиками исследования влияния внешних механических воздействий на уровень надежности конструкций СЭС (блок А7);
методикой уточнения влияния изменения теплового режима на уровень надежности СЭС (блок А7); методикой автоматизированной оценки суммарной накопленной дозы ионизированного излучения (ИИ) космического пространства (КП) и частоты сбоев СЭС (блок А7);
методики сопровождения проектной информации (исходных данных и результатов расчётов надёжности ЭКБ, ЭМ и ЭС в целом) - блок А3;
методика обеспечения контролепригодности СЭС (блок 12).
В методиках автоматизированного теплового, механического, радиационного моделирования, а также в расчётах и обеспечения надёжности ЭКБ, ЭМ и СЭС реализованы как известные модели и методы, применяемые для расчетов надежности технических систем, так и авторские разработки, учитывающие специфику расчетов надежности сложных ЭС.
Другой важной особенностью технологии является то, что основной объем работ по анализу и обеспечению надёжности выполняется в блоках А5 и А11 (см. рис. 2), а не на заключительном этапе про-
ектирования, как принято в традиционной технологии, рекомендованной в РД В 319.01.10-98 [б]. Комплексный подход, основанный на моделировании разнородных физических процессов, и расчет показателей надежности СЭС позволяет обеспечивать контролепригодность на ранних этапах проектирования (блок А12).
Очевидно, что трудоёмкость работ по оценке и обеспечению надёжности СЭС во много раз ниже, чем трудоёмкость работ по оценке и обеспечению надёжности СЧ (схема расчета надежности СЭС может содержать до нескольких сотен СЧ, в то время как количество ЭРИ может достигать десятков и сотен тысяч [11]).
Отсюда можно сделать принципиальный вывод о том, что специалисты отделов надёжности должны решать задачи, сформулированные в блоках А3, А4, А5 и А8, а задачи обеспечения требований по надёжности к конкретной СЧ - её непосредственные разработчики (схемотехники и конструктора) - блоки
А9, А10, А11 и А13. Только в этом случае можно избежать многочисленных доработок СЭС по результатам испытаний опытных образцов и обеспечить выполнение процедур системы качества в соответствии с требованиями [2, б, 12]. Однако, для того, чтобы возложить эти обязанности на плечи проектировщиков ЭС, необходимо предоставить им средства автоматизации для решения задач обеспечения показате-
лей надежности, т.е. создать программные средства (ПС) нового поколения, основанные на использовании широких возможностей сетевых и информационных технологий.
С целью конкретизации требований к таким ПС предложена концепция реализации непрерывной информационной поддержки ПОН в части расчёта показателей надёжности СЭС, основными положениями которой являются [10, 13]:
объединение пользователей по информационному, а не по территориальному признаку (установка ПС в локальной или глобальной сети позволяет проводить расчёты надёжности как одного СЭС с разных рабочих станций, так и различных СЭС с одной рабочей станции);
электронный обмен данными (конверторы данных форматов промышленных САПР и АСПИ, формирование протоколов работы в электронном виде);
мониторинг информации о характеристиках надёжности ЭКБ;
непрерывная поддержка процесса обеспечения надёжности (расчёт предельно-допустимых режимов работы, числа резервных СЧ и т.д.);
непрерывная поддержка оказания помощи пользователю («горячая линия», Internet-представительство, контекстная справка и т. д.);
непрерывная поддержка информации о характеристиках надёжности ЭРИ как иностранного производства, так и отечественного (время модификации интерфейса пользователя и баз данных в части математических моделей эксплуатационной интенсивности отказов, численных значений коэффициентов и т. д. не должно превышать 1-2 дней после появления результатов мониторинга);
непрерывная поддержка процесса расчёта надёжности (автоматический перерасчёт при любом изменении схемы расчета надежности и отображение результатов в окне интерфейса пользователя).
Внедрение технологии на ряде промышленных предприятий оборонного комплекса позволило для вновь разрабатываемых СЭС обеспечить требуемые уровни надёжности и существенно повысить показатели надёжности при модификации ранее созданной СЭС ответственного назначения. Кроме того, технология нашла применение в учебном процессе кафедры «КиПРА» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» [14,15] .
ЛИТЕРАТУРА
1. Юрков, Н.К. Основы теории надежности электронных средств: учеб. пособие / Н.К. Юрков, А.В. Затылкин, С.Н. Полесский, И.А. Иванов, А.В. Лысенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - 100 с.
2. ГОСТ Р В 20.39.302-98. КСОТТ. Требования к программам обеспечения надёжности и стойкости к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений.
3. Затылкин, А.В. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В. Затылкин, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. Том 1 / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2013. - С. 305-316.
4. Лысенко, А. В. Анализ современных систем управления проектами / А. В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 371-372.
5. ГОСТ Р МЭК 61508-2-2007. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью. Часть 2. Требования к системам.
6. РД В 319.01.10-98. Радиоэлектронные системы военного назначения. Методы надёжностноориентированного проектирования и изготовления РЭА.
7. РД В 319.01.16-98. Радиоэлектронные системы военного назначения. Типовые методики оценки показателей безотказности и ремонтопригодности расчетно-экспериментальными методами.
8. РД В 319.01.19-98. Радиоэлектронные системы военного назначения. Методика оценки и расчета запасов в комплектах ЗИП.
9. ОСТ 4Г 0.012.242-84. Аппаратура радиоэлектронная. Методика расчета показателей надежности.
10. Полесский, С.Н. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств наземно-космических систем / В.В. Жаднов, А.Е. Абрамешин // Книга научное издание, Екатеринбург: ООО«Форт Диалог-Исеть», 2012. 565с.
11. Полесский, С.Н. Автоматизация проектных исследований надёжности радиоэлектронной аппаратуры: Научное издание / В.В. Жаднов, Ю.Н. Кофанов, С.Н. и др. - М.: Изд-во «Радио и связь», 2003. -156 с.
12. ГОСТ Р 27.001-2009. Надежность в технике. Система управления надежностью. Основные положения .
13. Жаднов, В.В. Технология надёжностно-ориентированного проектирования / В.В. Жаднов // Электронные компоненты, № 8, 2002. - с. 28-30.
14. Затылкин, А. В. Опыт применения технологии ERM в разработке интеллектуальных средств обучения / Затылкин А.В., Буц В.П., Юрков Н.К. // Известия ЮФУ. Технические науки. -2011. № 2. -С.
218 -223.
15. Затылкин, А. В. Модели и методики управления интеллектуальными компьютерными обучающими системами: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Пенза, 2009. 18 с.
