CC BY
264
УДК 62-192
ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ МНОГОФАКТОРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, С. Н. Полесский,
— И. А. Иванов, А. В. Лысенко
В стандартах 180 серии 9000 приведены процедуры системы качества, направленные на обеспечение и гарантию реализации заложенных уровней надежности. 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 надежность, 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 всем 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 предприятий-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 [1], что подтверждает хотя бы простое сравнение объемов типовых перечней мероприятий по обеспечению надежности и функциональной безопасности СЭС на разных этапах ее 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 становится ясной важность именно ранних стадий (эскизного проектирования (ЭП) и технического проектирования - ТП). Результатом проведения мероприятий «Программы обеспечения надежности 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 надежности и качества: группа показателей надежности входит в номенклатуру групп показателей качества, а характеристики надежности СЭС относятся к тем показателям, для которых возможна (и необходима!) количественная оценка, что позволяет оценить уровень функциональной безопасности [2]. На ранних этапах проектирования получение численных значений характеристик надежности немыслимо без широкого использования методов математического моделирования, в первую очередь, вероятностных, что также нашло свое отражение в [1, 3]. Здесь сознательно не упоминаются экспериментальные методы обеспечения надежности, 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 рис. 1 приведена функциональная модель процесса применения методов математического моделирования, отражающая последовательность решения задач при проектировании СЭС. В названиях блоков на рис. 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 электрон-
ным 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 [1].
Рис. 1. Функциональная модель процесса применения методов математического моделирования при проектирования СЭС:
1 - методы управления проектами; 2 - методы управления документооборотом (данными);
3 - методы принятия проектных решений; 4-6 - 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)
Введение на рис. 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, [4-6]), которые представляются в виде стандартов предприятий (а в системах менеджмента качества (СМК) -документированных 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 180 9001 процесс проектирования должен рассматриваться как технологический процесс.
С этой точки зрения ЭП и ТП представляют собой технологические процессы синтеза информационной модели СЭС (комплекта конструкторской документации), а совокупность ис-
ходной 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 надежности, то такая технология является надежностно-ориентированной. В качестве примера такой технологии можно привести методы, приведенные в [6]. 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) [7].
Поэтому основой для создания ИТ обеспечения надежности СЭС послужили требования и рекомендации международных стандартов в области качества (180 серии 9000) и обеспечения функциональной безопасности (МЭК 61508), СЛЬ8-технологий (180 серии 10303), Российских военных стандартов (КГВС «Мороз-6» и «Климат-7»). Разработанная технология базируется на мероприятиях ПОНр [1], которые были существенно переработаны и интегрированы в инфраструктуру ИПИ-технологий. Функциональная модель ИТ обеспечения надежности и функциональной безопасности СЭС приведена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная модель ИТ обеспечения функциональной безопасности СЭС
Главным отличием операций технологии, приведенной на рис. 2, от мероприятий ПОНр является то, что каждая операция заканчивается расчетом надежности, а итоговой операцией является проведение оценки контролепригодности как одного из важных факторов выпуска качественной продукции.
Именно эти результаты служат основным критерием оценки качества проектных решений и являются составной частью общей ИТ СЭС. Как видно из рис. 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 конструктор-
ское, топологическое моделирование», «А6: Разработка ЧТЗ на СЧ»), так и специально разработанными для реализации данной технологии, а именно:
- методиками автоматизированного расчета и обеспечения надежности электронной компонентной базы (ЭКБ), электронных модулей (ЭМ) и СЭС в целом (блоки А4, А5, А9, А10, А11);
- методиками автоматизированного анализа результатов расчетов надежности ЭКБ, ЭМ и ЭС в целом (блок А13);
- методиками информационной поддержки расчетов надежности;
- методиками идентификации параметров моделей надежности ЭКБ (блок А9);
- методиками идентификации параметров макромоделей надежности 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 расчетов надежности ЭКБ, ЭМ и ЭС в целом) - блок А3;
- методикой обеспечения контролепригодности СЭС (блок 12).
В методиках автоматизированного теплового, механического, радиационного моделирования, а также в расчетах надежности ЭКБ, ЭМ и СЭС реализованы как известные модели и методы, так и авторские разработки, учитывающие специфику расчетов надежности сложных ЭС.
Другой важной особенностью технологии является то, что основной объем работ по анализу и обеспечению надежности выполняется в блоках А5 и А11 (см. рис. 2), а не на заключительном этапе проектирования, как принято в традиционной технологии, рекомендованной в РД В 319.01.10-98 [3]. Комплексный подход, основанный на моделировании разнородных физических процессов, и расчет показателей надежности СЭС позволяет обеспечивать контролепригодность на ранних этапах проектирования (блок А12).
Очевидно, что трудоемкость работ по оценке и обеспечению надежности СЭС во много раз ниже, чем трудоемкость работ по оценке и обеспечению надежности СЧ (схема расчета надежности СЭС может содержать до нескольких сотен СЧ, в то время как количество ЭРИ может достигать десятков и сотен тысяч [8]).
Отсюда можно сделать принципиальный вывод о том, что специалисты отделов надежности должны решать задачи, сформулированные в блоках А3, А4, А5 и А8, а задачи обеспечения требований по надежности к конкретной СЧ - ее 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 [1, 3, 9]. Однако для того, чтобы возложить эти обязанности на плечи проектировщиков ЭС, необходимо предоставить им средства автоматизации для решения задач обеспечения показателей 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 расчета показателей надежности СЭС, основными положениями которой являются [7, 10]:
- объединение пользователей по информационному, а не по территориальному признаку (установка ПС в локальной или глобальной сети позволяет проводить расчеты надежности 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 надежности ЭКБ;
- непрерывная поддержка процесса обеспечения надежности (расчет предельнодопустимых режимов работы, числа резервных СЧ и т.д.);
- непрерывная поддержка оказания помощи пользователю («горячая линия», 1Шегпе1-представительство, контекстная справка и т.д.);
- непрерывная поддержка информации о характеристиках надежности 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 расчета надежности (автоматический перерасчет 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 надежности и существенно повысить показатели надежности при модификации ранее созданной СЭС ответственного назначения [11-13].
Список литературы
1. 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 надежности и стойкости к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений.
3. Затылкин, А. В. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытнотеоретическим методом / А. В. Затылкин, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Надежность и качество: тр. междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 1. - С. 305-316.
4. Лысенко, А. В. Анализ современных систем управления проектами / А. В. Лысенко // // Надежность и качество: тр. междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Т. 1. - С. 371-372.
5. ГОСТ Р МЭК 61508-2-2007. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью. Ч. 2. Требования к системам.
6. РД В 319.01.10-98. Радиоэлектронные системы военного назначения. Методы надежностноориентированного 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 / С. Н. Полесский, В. В. Жаднов, А. Е. Абрамешин // Екатеринбург : ООО«Форт Диалог-Исеть», 2012. - 565 с.
11. Полесский, С.Н. Автоматизация проектных исследований надежности радиоэлектронной аппаратуры / С. Н. Полесский, В. В. Жаднов, Ю. Н. Кофанов [и др.]. - М. : 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 надежностно-ориентированного проектирования / В. В. Жаднов // Электронные компоненты. - 2002. - № 8. - С. 28-30.
УДК 62-192
Информационная технология многофакторного обеспечения надежности сложных электронных систем / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, С. Н. Полесский, И. А. Иванов, А. В. Лысенко // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 4. - С. 75-79.
Юрков Николай Кондратьевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) (8412) 56-43-46 E-mail: [email protected]
Yurkov Nikolay Kondrat’evich doctor of technical science, professor, head of sub-department of radio equipment design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Затылкин Александр Валентинович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
(8412) 36-82-12
E-mail: [email protected]
Полесский Сергей Николаевич кандидат технических наук, доцент, кафедра информационных технологий и автоматизированных систем,
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
(109028, Россия, г. Москва,
Б. Трехсвятительский пер., 3)
(495) 916-88-80 E-mail: [email protected]
Иванов Илья Александрович
кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций, Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
(109028, Россия, г. Москва,
Б. Трехсвятительский пер., 3)
(495) 916-88-80 E-mail: [email protected]
Лысенко Алексей Владимирович аспирант,
кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
(8412) 36-82-12
E-mail: [email protected]
Аннотация. Приведена функциональная модель процесса применения методов математического моделирования, отражающая последовательность решения задач при проектировании сложных электронных систем. Разработана функциональная модель информационными технологиями обеспечения надежности сложных электронных систем. Показаны основные положения концепции реализации непрерывной информационной поддержки программы обеспечения надежности в части расчета показателей надежности сложных электронных систем с целью конкретизации требований программных средств.
Ключевые слова: надежность, проектирование, информационная технология, сложная электронная система, электронный модуль, математическое моделирование, контролепригодность.
Zatylkin Alexander Valentinovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of radio equipment
design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Polesskiy Sergey Nikolaevich candidate of technical scienses, associate professor, sub-department of information technologies and automated systems,
Moscow institute of electronic and mathematic of National Research University «High School of Economics»
(109028, 3 B. Trekhsvyatitel'skiy lane, Moscow, Russia)
Ivanov Il'ya Aleksandrovich
candidate of technical scienses, senior lecturer,
sub-department of electronics and telecommunications,
Moscow institute of electronic and mathematic
of National Research University
«High School of Economics»
(109028, 3 B. Trekhsvyatitel'skiy lane, Moscow, Russia)
Lysenko Aleksey Vladimirovich
postgraduate student, sub-department of radio equipment design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Abstract. The functional model of the application of mathematical modeling, reflecting the sequence of solving problems in the design of complex electronic systems. Developed a functional model of information technology to ensure the reliability of complex electronic systems. Showing the basic concept of implementing continuous information support program to ensure the reliability of the calculation of the indicators of reliability of complex electronic systems for the purpose of specifying the requirements of software.
Keywords: reliability, engineering, information technology, sophisticated electronic system , electronic control module , mathematical modeling, testability.
