CC BY
21
Системы управления, связи и безопасности № 3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
УДК 004.052.32
Научно обоснованные предложения по диагностированию распределенной радиотехнической системы наблюдения с множеством технических состояний
Аминев Д. А., Журков А. П., Кроткова К. Г., Охломенко И. В.
Постановка задачи: радиолокация и радиопеленгация, а, соответственно, и распределенная радиотехническая система наблюдения (РСН) и автоматические радиопеленгаторы (АРП) имеют в настоящее время широкое применение. Так как в удаленных и малоосвоенных районах они являются одним из основных средств обеспечения полетов, то к надежности их работы предъявляются высокие требования. Для обеспечения требований по надежности необходимо осуществлять ее диагностирование. Существующие диагностические методы позволяют определять техническое состояние (ТС) по бинарному критерию, что не подходит к распределенной РСН, имеющей множество ТС ввиду своей пространственной распределенности, сложной иерархии и многомодульности. Поэтому целью работы является формирование подходов к диагностированию распределенной радиотехнической системы с множеством ТС на различных уровнях ее иерархии. Вмесие с тем математически описать способы определения интегральных критериев ТС. Результат: рассмотрена распределенная на местности РСН и состав ее аппаратуры. Приводится классический принцип ее диагностирования по двум техническим состояниям - работоспособное и неработоспособное. Предложены новые подходы на основе известных математических принципов для диагностирования распределенной РСН по множеству технических состояний. Варианты определения итогового ТС: методом наихудшего случая, методом усредненных диапазонов, методом с заданием приоритетов. Представлен пример реализации диагностирования распределенной РСН, состоящей из местного диспетчерского пункта и 12 удаленных необслуживаемых терминалов, по состояниям "авария", "ухудшение", "норма".
Ключевые слова: контроль технического состояния, надежность, диагностика, радиотехническая система, сеть связи, канал связи, радиопеленгация, топология, критерии работоспособности, отказ, печатный узел.
Актуальность
Несмотря на бурное развитие глобальных навигационных систем спутникового позиционирования, радиопеленгация широко применяется и в настоящее время, поскольку в удаленных и малоосвоенных районах не обнаруживаемые автоматические радиопеленгаторы (АРП) являются одним из основных средств обеспечения полетов [1].
Распределенная на местности радиотехническая система наблюдения (РСН) [2], имеющая топологию сети типа многоуровневая звезда, состоит из аппаратуры местного диспетчерского пункта (МДП), каналов связи и необслуживаемых радиотехнических терминалов (НРТ), которые могут быть удалены от МДП на расстояния до нескольких сотен километров (рис. 1 а). В обобщенном виде состав аппаратуры НРТ и МДП представлен на рис. 1 б.
В обобщенном виде аппаратура МДП состоит из следующих основных блоков: центра обработки данных (ЦОД), каналообразующей аппаратуры (КОА) для связи с НРТ, пульта диспетчера (ПД), системы хранения (СХ) пеленгационной и служебной информации, системы вторичного электропитания (СВЭП). Аппаратура НРТ имеет в своем составе
Системы управления, связи и безопасности № 3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
автоматический радиопеленгатор, блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) и управления, КОА для связи с МДП, и СВЭП.
а)
б)
Рис. 1. Распределенная на местности РСН (а) и состав ее аппаратуры (б)
Каждый основной блок может иметь в своем составе несколько печатных узлов (ПУ): ЦОД и ЦОС могут состоять из основной процессорной, резервной, интерфейсной и контроллерной плат; КОА может содержать ПУ маршрутизаторов, распределителей, преобразователей для разных типов линий связи; ПД включает ПУ индикации, ввода, отображения, дисплеи; СВЭП может иметь основные и резервные ПУ для различных напряжений питания; СХ может иметь основные и резервные твердотельные и НЖМД накопители, буферные ПУ; АРП может иметь ПУ для управления антенной, фильтрации и АЦП.
Постановка задачи
Поскольку важность работоспособности РСН высока, а удаленные терминалы являются необслуживаемыми, актуальной является задача обеспечения ее надежной работы. Для обеспечения надежной работы [3], в том числе, необходимо периодическое и систематическое диагностирование составных частей и модулей РСН, которые могут иметь несколько технических состояний (ТС).
Проблемам диагностирования распределенных радиотехнических систем и радиоэлектронной аппаратуры посвящены работы отечественных ученых Пархоменко П. П., Ведешенкова В. А., Увайсова С. У., зарубежных Брюле Д. Д., Рассела Й. Д., Кайма Ц. Р. и др. [4]. Несмотря на большой вклад этих ученых, проблемы диагностирования технических систем не достаточно разработаны. В частности, не рассмотрены вопросы диагностирования сложных пространственно-распределенных радиотехнических систем, имеющих много ТС на различных уровнях своей иерархии (от топологии сети до отдельных электронных компонентов). Поэтому актуальной является задача разработки новых концепций диагностирования РСН по «-мерному критерию.
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Диагностирование распределенной РСН по бинарному критерию может быть для различных уровней глубины контроля у:
- по топологии (у = 1), учитываются ТС МДП (ТСМДП) и всех НРТ
( ТСНРТ N );
- до основного блока (у = 2), учитываются ТС блоков (ТСБлок);
_ Блок
- до печатного узла (у = 3), учитываются ТС всех ПУ (тСПУн );
- до электронного компонента (у = 4).
Такое диагностирование с глубиной до у = 3 можно описать выражениями:
для у =1:
ТСРСН = ТСМДП & ТСНРТ 1&...& ТСНРТN; для у = 2:
\тсМДП = TCКОА & TCЦОД & TCСВЭП & TCСХ & TCПД [тсНРТ = TCКОА & TCЦОС & тСВЭП & TCАРП у = 3 :
J-КОА N
J-СВЭП N
для
TC КОА = TCПУ1О &... & TC ПУ К TCАРП = TCпуАП &... & TC пУ TCСВЭП = TC ПУ<СВЭП &... & TC nyN < TCПД = TCПУП &... & TCПУ "пП ( 1 )
TCСХ = TCПУС &... & TCПУ*
J-T-r тЦЩ J-T-r тЦЩ
TCЦОД = TCПУ1 &...&TCПУ N
ггл/ЦОС гтл/Ц
TCЦОС = тПУ 1 &...&кПУ N
ЦОС N
При диагностировании распределенной РСН по множеству технических состояний РСН имеет пРСН ТС работоспособности, тогда в соответствие с ее топологией пМДП и пНРТ - число ТС МДП и НРТ, а в соответствие со
КОА ЦОС ЦОД СВЭП АРП СХ ПД г^г^
структурой аппаратуры п , пЦ , п , п , п , п , п - число ТС ее основных блоков (в общем виде пБшк). Поскольку в предлагаемых подходах предусмотрена глубина контроля у до съемного ПУ, а полнота ц до 100%, то каждый ПУ в общем случае также может иметь множество пПУ ТС.
Подходы к диагностированию по множеству ТС
Очевидно, что интегральный критерий оценки работоспособности РСН будет зависеть от ТС ее ПУ. Можно применить три обоснованных подхода к определению ее ТС: методом наихудшего случая, методом усредненных диапазонов, методом с заданием приоритетов.
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
Рассмотрим суть метода наихудшего случая, в котором ТС РСН определяется как минимальное (min) из нормированных друг к другу значений ТС составных элементов РСН. Причем поскольку число ТС целое, используется функция Ц*Ц округления итогового ТС до ближайшего целого. Математически
определение диагноза можно представить следующими выражениями: у = 1:
г тсмДп TCНРТi TCНРТn Л
для
TÇFCH = у = 2 :
^^МДП _
для
FCH
П х min
n
МДП
n
HFT ' ' ' ' '
n
HFT
МДП
П х min
( rpçKGA гр£,ЦОД гр£,СВЭП rpçCX гр£,ПД \
TCHFT =
HFT
П х min
КОА ' ЦОД ' СВЭП ' СХ ' ПД
к n n n n n
f j.£>KOA гр^ЦОС Г££СВЭП г^^АРП \
КОА ' ЦОС
nn
n
n
для
у = 3
YQKQA _
TC
АРП
КОА ' tc пу КОА TC пуКОА )
n х min КОА .' сПУКОА
к n n J
АРП ' TC ПУ АРП tc ПУ а
n х min пуТп >. ..' ПУАРП
К n n J
СВЭП
TC
TCПД =
TCСХ =
СВЭП
n х min
ПД
n х min
TC
ПУС
TC
ПУ
СВЭП \
n
ПУС
СВЭП •>••••>
n
пуn
СХ
n х min
tc пуПд tc пу п
пуПд '.. .' ПУПД
n n J
TC пуСх tc ПУ n
пуСх '.. ' сПУСХ
n n J
tc цод =
Т^ЦОС _
ЦОД
П х min
fTC ПУ ЦОД
TC
ПУ
цод л
к n
f
ПУ1ЦО
n
ПУ
ЦОД
ЦОС
П х min
TC
ПУ Ц
TC
ПУ
ЦОС N
пуЦОС „пуЦОС
(2)
V П П
Суть метода усредненных диапазонов заключается в следующем: итоговый критерий вычисляется как среднее арифметическое нормированных критериев работоспособности составных частей. Математически это выражается следующим образом:
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
для
у = 1 :
ТГ^АСН =
для
у = 2 :
гр^МДП _
n
РСН
N +1
N
TC
НРТ t л
гр£МДП
МДП ' ¿и НРТ1
n '■=! n
n
МДП f гр£,КОА гр£,ЦОД г^^СВЭП fQCX Х^ПД
для
TCНРТ = у = 3 :
rj-^^уБлок _
n
КОА ' ЦОД СВЭП ' СХ
У n n n n
НРТ f ^^коа г^^цос Г^^СВЭП Г^^АРП А
ПД
n j
n
КОА ЦОС
к n n
Блок N TC ПУ i
n
НРТ
АРП
n j
N
■ X
I
„, n ПУБ
(3)
где N+1 - число всех НРТ и МДП, а ||*|| - округление до ближайшего целого,
так как число ТС - целое, ТСБлок - техническое состояние основного блока (КОА, ЦОД, ЦОС, СВЭП и др.).
Суть метода с заданием приоритетов заключается в задании весовых коэффициентов к для МДП и каждого НРТ, всех блоков и ПУ аппаратуры, причем для каждого уровня глубины ^ к = 1. Такую приоритезацию можно
задать выражениями: у = 1:
для
для
для
ТС = f у = 2 :
г^^МДП _ у
TCНАТ = f у = 3 :
г^^Блок _j
( РСН kМДП X n-
грПМДП РСН грПНРТ, РСН грПНРТ „ Л
XTC kE.РТ, n X TC 1 kE.РТ n X TC N
МДП ,k НРТ '...'k НРТ
n n n
( WP пПКОА
КОА, H X TC
k ЦОД
n
МДП ~'ТГ ЦОД МДП ^тгСВЭП \
7 СВЭП n X TC
n
РСН ТГСХ
,,СХ n X TC
4 X СХ
kПД
n
ЦОД
n
рсн TC ПД
n
n
f НАТ грП КОА НАТ грП ЦОС НАТ грПСВЭП
КОА n X TC иЦОС n X TC 1.СВЭП n X TC
X КОА ,k X ЦОС ,k X НАТ ■
n n n
ПД
n
НАТ
НАТ грПААП \ ' АРП n X TC ' X ААП
n
^ с Блок ттг-т ПУ" ПУ Б" X n X TC РУ1
X -Блок , ...,
ПУ г
Блок „„ ПУ
... kпуТ Xn XTCP '
Блок
..пуN
(4)
И И
где f - это функция, по которой определяется итоговое ТС, например min или усреднение диапазонов.
Комбинированный критерий оценки заключается в использовании любого из вышеизложенных методов (минимального, среднеарифметического и с заданием приоритетов) на различных уровнях иерархии РСН. Например,
X
X
4
Системы управления, связи и безопасности № 3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
топология может рассчитываться по среднеарифметическому, ПУ по минимальному, а блоки по приоритетам.
Для всех предложенных методов на различных уровнях глубины у значения полноты ц контроля определяются следующим образом:
N/(N +1) , у = 1
МБД / ^ , у = 2 , (5)
РСН ^ = <
Nf / NПУ , у = 3
'Д
где N Д, N Б, NПУ - число диагностируемых элементов топологии, всех диагностируемых блоков и всех диагностируемых ПУ распределенной РСН соответственно, N+1 - число МДП и НРТ, NБ и NП - число всех блоков и ПУ в РСН. Иными словами полнота контроля показывает степень достоверности итогового ТС, полученного в результате диагноза.
Пример диагностирования РСН с тремя ТС
В практической реализации [5] распределенная РСН и все ее элементы до ПУ имеют три ТС (ухудшение, авария, норма)
РСН _ МДП _ НРТ _ КОА_ ЦОС_ ЦОД_ СВЭП_ АРП _ СХ _ ПД
n = n = n =n =n =n =n =n =n =n > л = 10%, у =3 • Интегральный критерий ТС определяется методом наихудшего случая. Топология и состав аппаратуры такой РСН представлены на рис. 2.
а)
б)
Рис. 2. Топология (а) и состав аппаратуры (б) РСН
РСН состоит из МДП и 12 НРТ. В состав аппаратуры МДП входят следующие ПУ: микроконтроллер (МК), плата центрального процессора (ЦП), устройство ввода-вывода (УВВ); центральный блок контроля (ЦБК), ПЗУ; 12 блоков сопряжения с каналом (БСК), аппаратура ввода картографической информации (АВКИ), аппаратура сопряжения (АС), распределитель (Распр.); контрольный индикатор воздушной обстановки (КИВО), индикатор таймера, аппаратура формирования изображения, основной и резервный пульты диспетчера (ПД1 и ПДр), пульт техника (ПТ); СВЭП; аппаратура документирования информации (АДИ), устройство хранения (УХ); плата адаптера, регистратор.
Systems of Control, Communication and Security
sccs.intelgr.com
В состав аппаратуры НРТ входят: периферийный блок контроля (ПБК) с устройствами ввода (УВ) и защиты от ошибок (УЗО), устройство согласования (УС), ПУ телеуправления (ТУ) и телесигнализации (ТС); блок сопряжения с каналом (БСК), аппаратура вторичного уплотнения (АВУ), модем; СВЭП с блоком автоматики (БА); ПУ АРП, антенна, преобразователи аналог-фаза (ПАФ), фаза-код (ПФК).
В соответствие с составом, имеется следующее распределение ПУ по блокам: для МДП - 5 в ЦОД, 15 в КОА; 1 в СВЭП, 6 в ПД, 4 в СХ; для НРТ - 6 в ЦОС, 3 в КОА; 2 в СВЭП, 6 в АРП. Итоговые критерии определения ТС такой РСН определяются выражениями: у = 1:
ТСРСН = min [ТСМДП, ТСНРТ\..., ТСНРТ12); у = 2:
ГТСМЦП = min (ТСКОА, ТСЦОД, ТССВЭП, ТССХ, ТСПД ) ТСНРТ = min (ТСКОА,ТСЦОС, ТССВЭП, ТСАРП) ;
для у = 3:
для
для
/ КОА ,КОА TCКОА _МДП = min 1 TC Пу1 ,..., ТС »
TC КОА _ ""=min iTC ПУ ТСПУ Г
TCАРП = min |tCПУ ,.... , TC ПУ г j
СВЭП гр^свзП_мдп _гр^ПУ
TC^u _ НРТ = min |tCПУ С ?ВЭП -J-^ J-СВЭП N TC ПУ 2
тгпд . (тг ПУПд TC ^ = min ITC1 1 ,.. ., TC ПУ 6й 1
TCX = min {TCПУ1 ,..., TC TCЦОД = min [iC™™,..., TCПУ5 ^
TCO = min (гсПУГ,..., TCny>C j (6)
Во всех случаях ТС может принимать одно из 3-х значений: 0 - авария, 1 - ухудшение, 2 - норма. Полнота контроля 100% означает диагностирование всех ПУ системы. Таким образом, при заданных значениях получается довольно простой в реализации механизм определения критериев работоспособности.
Выводы
Основанные на известных математических функциях определения минимума, усреднения, методе весовых коэффициентов и их комбинаций, впервые предложенные подходы к диагностированию технического состояния
Системы управления, связи и безопасности № 3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
распределенной РСН по множеству технических состояний предоставляют возможность разработчику наиболее гибко сформировать конфигурацию системы технического диагностирования, а именно: задавать любое число технических состояний для каждого элемента на всех уровнях иерархии; задавать глубину и рассчитывать полноту контроля.
На основе метода наихудшего случая из предложенного теоретического базиса можно, например, реализовать вычислительно несложную автоматизированную систему технического диагностирования 12-ти терминальной распределенной РСН по 3-м техническим состояниям, с глубиной контроля до съемного ПУ и полнотой 100%.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (проект № 16-49-02021).
Литература
1. Аминев Д. А., Журков А. П., Козырев А. А., Увайсов С. У. Алгоритмы работы программного обеспечения микропроцессорных систем контроля аппаратуры пеленгаторной позиции // Труды НИИР. 2014. № 3. С. 11-17.
2. Аминев Д. А., Журков А. П., Козырев А. А. Алгоритм контроля аппаратуры местного диспетчерского пункта наземной локальной радиопеленгационной системы наблюдения // Труды НИИР. 2015. № 4. С. 7278.
3. Журков А. П., Аминев Д. А., Кулыгин В. Н. Модель надежности распределенной радиотехнической системы наблюдения минимальной конфигурации // В кн.: Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»: в 2 т. Т. 1. Пенза: ПГУ, 2016. С. 120-122.
4. Журков А. П., Аминев Д. А., Гусева П. А., Мирошниченко С. С., Петросян П. А. Анализ возможностей применения подходов самодиагностирования к распределенной радиотехнической системе наблюдения // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 4. С. 114122. URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2015-04/06-Zhurkov.pdf (дата обращения 02.10.2016).
5. Журков А. П. Протокол организации обмена контрольно-диагностической информацией распределенной радиотехнической системы наблюдения // Качество. Инновации. Образование. 2016. № 4. С. 61-71.
References
1. Aminev D. A., Zhurkov A. P., Kozyrev A. A., Uvaysov S. U. Algoritmy raboty programmnogo obespechenija mikroprocessornyh sistem kontrolja apparatury pelengatornoj pozicii [The algorithms used in the software of microprocessor systems for monitoring equipment direction finding position]. Trudy NIIR, 2014, no. 3, pp. 11-17 (in Russian).
2. Aminev D. A., Zhurkov A. P., Kozyrev A. A., Algoritm kontrolja apparatury mestnogo dispetcherskogo punkta nazemnoj lokal'noj radiopelengacionnoj sistemy
Системы управления, связи и безопасности № 3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
nabljudenija [The control algorithm for local control point equipment of RDF system]. Trudy NIIR, 2015, no. 4, pp. 72-78 (in Russian).
3. Zhurkov A. P., Aminev D. A., Kulygin V. N. Model' nadezhnosti raspredelennoj radiotehnicheskoj sistemy nabljudenija minimal'noj konfiguracii [Reliable model for minimum configuration of distributed radio direction finding system]. Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma «NADEZHNOST" I KACHESTVO», 2016, no. 1, pp. 120-122 (in Russian).
4. Zhurkov A. P., Aminev D. A., Guseva P. A., Miroshnichenko S. S., Petrosjan P. A. Analysis of the Possibilities of Self-Diagnosis Approaches to Distributed Electronic Surveillance System. Systems of Control, Communication and Security, 2015, no. 4, pp. 114-122. Available at: http://sccs.intelgr.com/archive/2015-04/06-Zhurkov.pdf (accessed 2 October 2016) (in Russian).
5. Zhurkov A. P. Protokol organizacii obmena kontrol'no-diagnosticheskoj informaciej raspredelennoj radiotekhnicheskoj sistemy nablyudeniya [Protocol of the organization of exchange for control and diagnostic information of distributed radio direction finding system]. Kachestvo. Innovacii. Obrazovanie, 2016, no. 4, pp. 61-71 (in Russian).
Статья поступила 29 сентября 2016 г.
Информация об авторах
Аминев Дмитрий Андреевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук. Область научных интересов: системы и сети передачи данных; радиоэлектронная аппаратура. E-mail: [email protected].
Адрес: 117997, Россия, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 65.
Журков Александр Петрович - аспирант Департамента электронной инженерии. Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета Высшая школа экономики. Область научных интересов: диагностирование радиотехнических систем; системы управления связью. E-mail: [email protected].
Адрес: 123458, Россия, г. Москва, Таллинская ул., д. 34.
Кроткова Карина Георгиевна - студент 4-го курса кафедры ИУ-4 "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры". Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. Область научных интересов: моделирование радиотехнических систем; сбор и обработка информации. E-mail: [email protected].
Адрес: 105005, Россия, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
Охломенко Илья Вячеславович - магистрант 1-го курса кафедры ИУ-4 "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры". Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. Область научных интересов: моделирование радиотехнических систем; проектирование цифровой аппаратуры. E-mail: [email protected].
Адрес: 105005, Россия, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
Системы управления, связи и безопасности № 3. 2016
Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com
Research offers for Diagnosing of Distributed Radio Direction Finding Systems with a Some Set of Technical
States
D. A. Aminev, A. P. Zhurkov, K. G. Krotkova, I. V. Ohlomenko
Formulation of the problem. Modern radio direction finding systems (RDFS) are used in remote and underdeveloped areas for control of flight operations. To ensure the reliability requirements of RDFS necessary make it diagnose. Existing diagnostic methods allow determining the technical condition (TC) as a binary criterion, which is not suitable for distributed RDFS having a plurality of TC because its have the spatial distributed and the complex hierarchy and the multi-module structure. Therefore, the aim of the paper is develop means of diagnosis of distributed RDFS with different types of TC to various levels of its hierarchy. For this in paper offers the mathematical methods for describe of the determining integral TC criteria. Result. New means based on known mathematical principles are offered for the diagnosis of distributed RDFS which has the some set of technical conditions. For means of diagnosis of RDFS is used: the worst-case method, the method of average range, the priority method. The paper has an example as RDFS is diagnose if it consist of the local dispatch center and 12 the remote unattended terminals which have different TC.
Keywords: technical condition monitoring, reliability, diagnostics, radio system, the communication network, the communication channel, radio direction finding, topology, performance criteria, rejection, printed circuit board.
Information about Authors
Dmitrij Andreevich Aminev - Ph.D. of Engineering Sciences, Senior Researcher. V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences. E-mail: [email protected].
Address: 117997, Moscow, 65 Profsoyuznaya str.
Aleksandr Petrovich Zhurkov - The postgraduate student of the Department of Electronic Engineering. Moscow Institute of Electronics and Mathematics National Research University Higher School of Economics. Field of research: diagnostics of technical systems; communication control system. E-mail: [email protected].
Address: Russia, 123458, Moscow, ul. Tallinskaya, 34.
Karina Georgievna Krotkova - Student of the Department of "Design and technology of electronic equipment". Bauman Moscow State Technical University. Field of research: modeling of radio systems; digital hardware design. E-mail: [email protected].
Ilya Vyacheslavovich Ohlomenko - Student of the Department of "Design and technology of electronic equipment". Bauman Moscow State Technical University. Field of research: modeling of radio systems; digital hardware design. E-mail: [email protected].
Address: Russia, 105005, Moscow, ul. Baumanskaya 2-ya, 5.
