CC BY
137
Пращикин С.А.
МЕТОД ВЕРИФИКАЦИИ СХЕМ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ БОРТОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
УДК 621.396.6, 621.8.019.8
Рассмотрены вопросы верификации схем расчета надежности и программного обеспечения. Предложен способ расчета надежности бортовых электронных средств методом Монте-Карло, гарантирующий соответствие исходной и программной моделей надежности
Questions of verification of schemes of calculation of reliability and the software are considered. The way of calculation of reliability of onboard electronic means by a method of Monte-Carlo, guaranteeing conformity of initial and program models of reliability is offered
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА; МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО; ВЕРИФИКАЦИЯ
ПРОГРАММ
ELECTRONIC MEANS; METHOD MONTE-KARLO; VERIFICATION OF
PROGRAMS
Современные бортовые радиоэлектронные средства (БРЭС), как военного, так и гражданского назначения, имеют достаточно сложную структуру, призванную улучшить такие показатели надежности, как время безотказной работы, значение сроков службы, ресурса и т.п. Усложнение структур БРЭС часто ставит разработчиков отделов надежности в тупик именно тем, что инструментарий специалистов оказывается малопригоден для работы с такими БРЭС [1].
Дело в том, что по-прежнему, наибольшее распространение имеют аналитические вероятностные методы расчета надежности. Они имеют наибольшее количество ограничений на применение, они достаточно трудоемки и анахроничны, хотя и позволяют строить модели достаточно современных схем надежности [2]. Эти методы в лучшем случае объединены в вычислительные пакеты (часто самостоятельно запрограммированные персоналом отделов), выполняющиеся на ПЭВМ.
Хотя нельзя отрицать, что на предприятиях значительно чаще можно встретить автоматизированные программные комплексы, подменяющие собой стремительно пустеющие отделы надежности конструкторских бюро и т.п. Эти программные пакеты оснащены алгоритмами численных методов, владеют имитационным моделированием, но ограничения, наложенные на использованные методы, все равно не позволяют им быть универсальными.
Среди наиболее часто использующихся численных методов - метод Монте-Карло, прекрасный вероятностный метод, дающий неплохие результаты при достаточном количестве «экспериментов». Его основной «минус» - это сложность в переходе от вероятностей отказов к значениям наработок при
усложнении схем расчета надежности (СРН) БРЭС. Если схема расчета надежности (СРН) содержит элементарные группы вроде нагруженного резервирования, то метод справляется, а вот если появляются схемы с мажорированием (управлением) - вот тут вероятностный механизм отказывает, не позволяя специалисту просто и ясно перейти к значению наработки до отказа.
Однако если применить метод Монте-Карло для получения вероятности безотказной работы каждой составной части (СЧ) и сразу перейти к значениям наработок до отказа, то проблему можно обойти [3]. В данном случае необходимо будет уже весь расчет проводить, опираясь только на значения наработок, полностью забыв о возможностях вероятностного моделирования. Покажем состоятельность этой идеи.
Если об СЧ известны время отказа (восстановления), то можно построить временную диаграмму состояния (ВДС) этой СЧ (рис.1).
А
^хр t
Рис. 1. Временная диаграмма состояния СЧ (?о - время отказа, ?хр - время
хранения СЧ).
Теперь, зная ВДС всех СЧ достаточно сложить или вычесть их, учитывая функциональные схемы некоторых общностей СЧ - групп СЧ (групп резервирования). Например, для группы резервирования замещением ВДС всех СЧ надо сложить, для группы нагруженного резервирования - найти наибольшее время работоспособного состояния (рис. 2), а для группы последовательного включения - вычесть.
Рис. 2. Примеры составления групповых ВДС для групп нагруженного резервирования (СЧ1, СЧ2) и резервирования замещением (СЧ3, СЧ4).
Если СЧ используются только в этих группах, то проведя сложение/вычитание ВДС элементов, можно построить ВДС группы и использовать в дальнейших расчетах уже ее. Основная особенность такого
решения заключается в том, что ее можно использовать и при включении СЧ в несколько групп, что было бы камнем преткновения во всех других вариантах представления расчета надежности
Для расчета ВДС группы необходимо и достаточно знать ВДС СЧ группы и их суперпозицию. Поэтому совершенно неважно, где еще может потребоваться ВДС СЧ (для расчета ВДС других групп). Предлагается на СРН изображать еще одну СЧ, представляющую собой своеобразную «ссылку» на оригинальную СЧ (рис. 3.2). Единственное условие - необходимо «помнить» о том, что это квази-СЧ (в дальнейшем КвСЧ) и оригинальная СЧ представляют собой одну единственную СЧ со своей ВДС.
Рис. 3.1. Элемент СЧ4 включен скользящим резервом к элементам СЧ1 и СЧ2.
Рис. 3.2. Представление схемы с помощью КвСЧ4 (серого цвета).
Таким образом, проводя синтез групп СЧ все более и более высокого уровня (собирающая все больше и больше СЧ и групп СЧ внутри), рано или поздно появится группа СЧ, представляющая собой БРЭС в целом. Анализируя ВДС этой группы при достаточном количестве таких «экспериментов», элементарными статистическими расчетами можно получить требуемые показатели надежности БРЭС.
Приведенный выше метод расчета показателей надежности БРЭС представляет собой своеобразный «конструктор» СРН. Разработав достаточное количество базовых схемных решений СЧ (группа нагруженного резервирования, группа скользящего резерва, мостиковая схема и т.п.), можно строить достаточно сложные СРН с практически любыми схемами резервирования. Приведение к последовательно-параллельному виду этих схем осуществляется на основе критериев отказа или работоспособности и использования КвСЧ (рис. 4).
в)
СЧ1 СЧ2
счз СЧЗ
СЧ5 СЧ4
Рис. 4. Способы преобразования неприводимой схемы 5-ти элементного мостика а) к последовательно-параллельному виду с использованием критериев работоспособности б) и критериев отказов в). Серым на рисунке
выделены КвСЧ.
Безусловно, необходимо рассмотреть еще и вопрос истинности и правильности расчета при использовании предлагаемого метода. Процедура верификации метода возможна по следующим соображениям.
Из описания метода видно, что это один из формальных методов, учитывающий количественные характеристики объектов и игнорирующий их природу (применение того или иного вероятностно-физического метода для перехода от разыгранной вероятности отказа к значению наработки до отказа -не в счет). Таким образом, экспертизе [4] должны быть подвергнуты алгоритмы генерации случайных величин, расчета величин наработки до отказа, статистической обработки результатов множественных «испытаний» и расчетные алгоритмы базовых схемных решений (групп резервирования). Конечно, нельзя забывать и об общей схеме верификации программного средства (рис. 5).
Рис. 5. Объекты верификации программного средства.
В дальнейшем, при построении сколь угодно сложных СРН никакая дополнительная верификация создаваемых моделей СРН уже не потребуется.
После построения оператором модели СРН необходимо проводить ее валидацию. Это достаточно просто сделать, предоставив специалисту, работающему с программным средством, необходимый инструментарий для
создания таких моделей, библиотеку групп резервирования и изложив методику построения СРН в эксплуатационной документации (рис. 6).
Рис. 6. Объекты валидации программного средства.
Предлагаемый метод расчета показателей надежности БРЭС был реализован в виде программного средства (ПС), включающего в себя:
• организованное рабочее пространство проекта,
• библиотеку шаблонов групп резервирования,
• необходимый инструментарий для проведения валидации СРН,
• необходимый механизм выявления ошибок и информирования о них оператора,
• систему генерации отчетов о полученных результатах расчета. Полученному ПС [5, 6] свойственны следующие отличительные черты:
- оператор имеет возможность строить неограниченно сложные и трудоемкие в расчете СРН,
- расчет не нуждается в дополнительной разрешительной защите перед соответствующими проверяющими органами - любая синтезированная СРН рассчитывается заведомо правильно, если правильно рассчитываются базовые схемные решения,
- ПС следует применять только для тех СРН, которые можно преобразовать к параллельно-последовательному виду.
Таким образом, можно утверждать, что использование данного ПС позволит специалистам отделов надежности гораздо полнее использовать современные схемотехнические решения обеспечения надежности БРЭС без затрат времени на верификацию полученных структур схем расчета надежности.
Библиография
1. Жаднов, В.В. Современные проблемы автоматизации расчетов надежности. / В. В. Жаднов, И.В. Жаднов, С.Н. Полесский. // Надежность, № 2 (21), 2007. - с.
3-12.
2. Жаднов, В.В. Автоматизация проектных исследований надёжности радиоэлектронной аппаратуры: Научное издание. / В.В. Жаднов, Ю.Н. Кофанов, С.А. Пращикин и др. - М.: Изд-во «Радио и связь», 2003. - 156 с.
3. Жаднов, В.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. / В.В. Жаднов, А.В. Сарафанов. М.: Изд-во «Солон-Пресс», 2004. - 464 с.
4. Кулямин, В.В. Методы верификации программного обеспечения [Электронный ресурс]. / В.В. Кулямин. - Режим доступа:
http://www.ict.edu.ru/ft/005645/62322e1-st09.pdf.
5. Жаднов, В. Новые возможности программного комплекса АСОНИКА-К. / В. Жаднов, И. Жаднов, С. Пращикин и др. // CHIP NEWS: Инженерная микроэлектроника, № 10 (83), 2003. - с. 52-55.
6. Строганов, А. Обзор программных комплексов по расчету надежности сложных технических систем. / А. Строганов, В. Жаднов, С. Полесский. // Компоненты и технологии, № 5 (70), 2007. - с. 74-81.
