УДК 621.317
Говоренко Г.С.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА БОРТОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
Рассматривается класс бортовых систем управления (БСУ) летательных аппаратов различного назначения с учетом воздействия на них внешних и внутренних возмущающих факторов. Предусмотрены модели и методы управления процессами обеспечения показателей надежности и качества БСУ на всех этапах их жизненного цикла.
Ключевые слова: бортовые системы управления; показатели надежности и качества; жизненный цикл.
The subject of considering is the onboard control systems’ class for the aircrafts of different destinations, taking into account the perturbation action of the internal and the external factors on these aircrafts. We provide for the control models and methods for the onboard control systems’ reliability indexes and quality control processes during all the life cycle phases.
Key words: onboard control systems; reliability indexes and quality; life cycle phases.
Введение. С развитием научно-технического прогресса сложность бортовых систем управления (БСУ) летательных аппаратов (ЛА) значительно возрастает. На стадии проектирования БСУ важными являются задачи, связанные с обеспечением показателей надежности и качества, удовлетворяющих требованиям технического задания (ТЗ). Модель управления проектированием БСУ на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) представлена на рис. 1. В условиях проектирования, особенно на ранних этапах, целесообразно сосредоточить усилия на качественных и количественных оценках критичных «слабых мест» в проектных решениях, с достаточной для практики точностью и достоверностью, отражающих требования ТЗ на изделие в целом.
Надежность и качество в значительной степени обусловлена стойкостью БСУ к воздействующим факторам (ВФ) как внешним, так и внутренним. Многообразие ВФ и возможное их влияние на БСУ (в том числе на электрорадио изделия (ЭРИ), входящие в нее) должно неукоснительно учитываться при проектировании и производстве изделий. Оценка устойчивости БСУ к дестабилизирующим воздействиям является сложной, трудно формализуемой задачей, которая может решаться только на основе натурных испытаний или математического моделирования физических процессов в конструкциях изделий.
Рассматривается класс бортовой высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) (БСУ) летательных аппаратов (ЛА) различного назначения, управление её проектированием и поддержкой жизненного цикла (ЖЦ) с учетом полномасштабного внедрения ИПИ-технологий (CALS-технологий), ориентированных на повышение качества продукции в соответствии с новыми требованиями к системе менеджмента качества (СМК).
Современный ЛА имеет огромное количество бортовой аппаратуры с ограниченным сроком эксплуатации, зависящим от условий эксплуатации, сложности РЭА, научно-технического уровня, заложенного разработчиком при
проектировании и многих других факторов, в том числе и от использования современных информационных технологий в системе менджемента качества (СМК) [1].
Рис. 1. Модель управления проектированием БСУ с учетом ЖЦ аналогов
В рассматриваемой постановке проблемная область, связанная с обеспечением показателей надежности и технических характеристик объектов заданного класса, представлена многоэтапным процессом проектирования, включающая методы и средства решения базовых задач поддержки ЖЦ РЭА (объекты).
Стратегия методологии достижения поставленных целей в рамках предметной области постановочно характеризуется этапами:
1. Структуризация исходных данных и знаний, определяемых: тактикотехническими требованиями (ТТТ), требованиями технических заданий (ТЗ) и технических условиями (ТУ) на объекты класса; технической документацией на объекты; методами, моделями и алгоритмами решений предметных задач в рамках проблемной области.
2. Структурная идентификация проблемной области.
3. Построение прикладных, в том числе интеллектуальных, технологий,
включающих решение вопросов: представление проблемной области и
физических объектов математическими моделями; построение концептуальной модели проблемной области и схемы базы знаний; синтез информационнологического формализма, механизмов вывода, решений и управлений; представление моделями базы знаний интегрированной интеллектуальной системы обеспечения проблемной области.
4. Целевое комплексирование по модульному принципу
автоматизированных экспертных информационно-управляющих
(испытательных) комплексов.
В методологии на начальном этапе решения данной проблемы ключевая роль отведена структурной идентификации проблемной области,
содержательная сущность которой состоит в разработке теоретических положений построения адекватных математических моделей, формализованных методов и алгоритмов достижения, целей в рамках проблемной области, предоставленных базовым перечнем: разработка формальных подходов к построению математических моделей представления физических объектов; создание методов и средств установления системных закономерностей и причинно-следственных связей между ними, отражающих нештатное состояние физических объектов, формализованных процессов и внешних воздействующих факторов; разработка формализованных методов и моделей решения предметных задач в рамках проблемной области; определение и минимизация состава параметров (признаков, свойств) и критериев количественной и качественной оценки степени соответствия технических характеристик и показателей надежности установленным требованиям; создание методов и средств имитации допустимых критических факторов внешней среды и режимов ускоренных испытаний на стадии проектирования объектов; методов и средств регистрации и анализа ситуаций внешнего мира в условиях применения объектов по назначению; разработка методов и средств, интегрируемых в структуру физических объектов; механизмов синтеза отказоустойчивых алгоритмов функционирования объектов в условиях допустимого подмножества нештатных ситуаций; разработка методов и средств синтеза идентификаторов векторов состояний и наблюдателей физических объектов по данным прямых измерений и вычисляемых параметров.
Из перечня задач, сформулированных, и обусловленных средствами структурной идентификации проблемной области следует, что показатели надежности и технические характеристики проектируемых объектов заданного класса обеспечиваются комплексом методов и средств на всех этапах их ЖЦ. При этом «центр тяжести» сосредоточен на процессах проектирования объектов и их составных компонентов, в основу которых положены интегрированные интеллектуальные системы ситуационного управления
стратегиями и сценариями достижения частных и конечных целей в рамках автономных проблемных областей с направленностью:
• обеспечение требуемого уровня отказоустойчивости проектируемого объекта в условиях нештатных ситуаций интегрированием в его структуру интеллектуальных технологий структурно-конструктивных, алгоритмических и программных решений. Процесс интеграции регламентируется габаритными, массовыми, энергетическими характеристиками; аппаратно-программными ресурсами непосредственно проектируемого объекта; разрешающей способностью методов обнаружения, диагностирования нештатных ситуаций, распознавания их причин и синтеза управлений по реализации формализованных алгоритмов реконфигурации структуры объекта;
• обеспечение автоматизированной компоновки и конструирования
объектов, поддерживаемых интеллектуальными информационными
технологиями и средствами электронного документооборота;
• обнаружение, диагностирование, прогнозирование отказов, скрытых и аккумулируемых дефектов в результате проведения ускоренных испытаний; распознавание проектных несовершенств и причин их появления;
• технико-экономическое обоснование и приоритетное ранжи
• рование корректирующих мер (доработок, управлений) по устранению
дестабилизирующих факторов (причин), снижающих техническое
совершенство и уровень работоспособности объектов заданного класса;
• целевое агрегатирование по модульному принципу автоматизированных, экспертных информационно-управляющих комплексов, ориентированных на разработку (процесс обучения) и практическую реализацию интеллектуальных информационных технологий.
Рассмотрим особенности применения СМК на различных стадиях.
1. СМК на стадии проектирования и поддержки ЖЦ РЭА.
Особенностью проблемы надежности РЭА является ее связь со всеми этапами ЖЦ от зарождения идеи, ее создания и утилизации:
• при проектировании - надежность закладывается в проект
разработчиком совместно со специалистами по надежности на основании требований ТЗ заказчика;
• при производстве - надежность обеспечивается требованиями
нормативно-технической документацией (НТД) и ТУ на изделие при выполнении производственно - технологических процессов;
• при эксплуатации - надежность поддерживается требованиями
регламента обслуживания и регламента эксплуатации (РО и РЭ) «Интерактивное руководство»;
• при утилизации - надежность определяется анализом изделий -аналогов РЭА.
2. Модели этапов проектирования РЭА.
Техническое предложение. При получении проекта ТЗ на разработку РЭА, разработчик представляет в службу надежности техническое предложение.
Служба надежности, используя базу знаний и на основании: показателей надежности, достигнутых аналогами разрабатываемой аппаратуры; показателей надежности планируемой к применению элементной базы и предварительной
структурно-логической схемы, представляет разработчикам формулировки раздела надежности, численные значения показателей надежности и методы их контроля.
Эскизное проектирование. Этап эскизного проектирования, как и последующие этапы удобнее рассматривать в виде цикла РБСЛ (круг Демпинга рис. 2) ГОСТ Р. ИСО 9001-2001, IDEF0 (Р. 50.1.028-2001), IDEF1 (Х), IDEF3. На этапе эскизного проектирования в соответствии с циклом PDCA [2]:
Р - разработчик планирует реализацию требований заказчика, по функциональному назначению РЭА;
D - разработчик выбирает структурно-логическую схему РЭА, типономиналы электрорадиоизделий (ЭРИ); предварительно оценивает электрические и тепловые режимы работы ЭРИ; проводит математическое или полунатурное моделирование, изготавливает макет РЭА и проводит автономные и комплексные испытания макетов; выдает данные в службу надежности;
Рис. 2. Циклы проектирования РЭА: Р - планирование;
D - Действие; С - контроль; А - действие по улучшению.
С - служба надежности проводит структурный анализ надежности предлагаемой схемы РЭА и определяет показатели надежности для каждого структурно-логического блока РЭА, а также оценивает показатели надежности РЭА на их соответствие показателям, заданным в ТЗ;
А - а) при соответствии показателей надежности требованиям ТЗ, разработчик приступает к этапу технического проектирования;
б) при несоответствии показателей надежности требованиям ТЗ, служба надежности предлагает разработчику варианты «повышения надежности» наиболее важных структурно-логических блоков.
Техническое проектирование. На этапе технического проектирования в соответствии с циклом РDСА:
Р - разработчик производит «наполнение» структурно-логических блоков ЭРИ и определяет принципиальные электрические схемы блоков;
D - разработчик составляет принципиальные электрические схемы блоков, перечни элементов блоков и определяет рабочие режимы ЭРИ в схемах. Разработчик совместно со службой надежности выбирает ЭРИ, входящие в узлы блоков из перечня разрешенных к применению;
С - служба надежности проводит поэлементный расчет показателей надежности узлов, блоков и РЭА в целом;
А - а) при соответствии показателей надежности требованиям ТЗ, разработчики приступают к этапу разработки рабочей документации;
б) при несоответствии показателей надежности требованиям ТЗ, служба надежности предлагает разработчикам некоторый перечень корректирующих действий по повышению надежности разрабатываемой РЭА.
В качестве корректирующих действий можно рекомендовать: снижение коэффициента эксплуатации (КЭ) РЭА путем изменения типономинала и уменьшения интенсивности отказов ЭРИ; повышения качества приемки ЭРИ на заводе - изготовителе (вид приемки 5, 9); уменьшение величины рабочих температур функционирования ЭРИ, уровней ВВФ на них, за счет: применения системы охлаждения, изменения компоновки схем, устройств теплоотвода и т.д.; изменения схем электрических принципиальных с целью снижения величин рабочих токов, напряжений и мощностей на ЭРИ; изменения класса аппаратуры по действующему комплексу стандартов «Мороз», за счет применения конструктивных дополнительных мер защиты от ВВФ, для РЭА, его модулей и ЭРИ; снижение количества ЭРИ, за счет применения БИС и СБИС; резервирование наименее надежных, но не имеющих аналогов ЭРИ; проведение отбраковочных испытаний, с целью выявления и устранения скрытых дефектов РЭА.
Разработка рабочей документации и испытаний, опытных образцов. На
этапе разработки рабочей документацией в соответствии с циклом PDCA:
Р - разработчики совместно со службой надежности разрабатывают методику и программу проведения ПИ;
D - Рабочая группа - комиссия по проведению испытаний совместно с испытательной станцией проводит ПИ опытного образца РЭА;
С - результаты ПИ служат основанием для службы надежности по оценке показателей надежности и стойкости опытного образца РЭА на соответствие требованиям ТУ, ТЗ;
А - а) при соответствии показателей надежности требованиям ТУ, ТЗ разработчик оформляет документацию на проведение МВИ;
б) при несоответствии показателей надежности требованиям ТУ, ТЗ разработчик совместно со службой надежности выявляет причины несоответствия и после их устранения, вновь проводит ПИ.
Серийное производство. На этапе серийного производства в соответствии с циклом PDCA:
Р - эксплуатирующая организация планирует эксплуатацию РЭА в соответствии с РО и РЭ и других нормативных актов;
D - эксплуатирующая организация осуществляет эксплуатацию РЭА по назначению, в процессе которого осуществляется наработка и могут возникать неисправности и отказы;
C - по итогам эксплуатации за каждый прошедший год, эксплуатирующие организации представляют разработчикам в аналитический центр данные о наработке, количестве отказов, признаках отказов и количестве изделий находящихся в эксплуатации. Разработчики совместно со специалистами по надежности в аналитическом центре анализируют полученную информацию из эксплуатации по возвращенным изделиям;
А - по результатам анализа планируются и проводятся мероприятия по повышению надежности серийно выпускаемых изделий, например, в качестве рекомендации можно предложить введение в серийное производство
отбраковочных испытаний, с целью выявления и устранения скрытых дефектов производства, на начальном этапе эксплуатации.
Эксплуатация. По окончании назначенного срока службы (утилизация) изделие должно быть направлено разработчику в аналитический центр для исследования. Результаты исследования кладутся в основу разработки новых изделий-аналогов.
Тенденция развития современного рынка диктует необходимость разработки, производства, сбыта, ремонта и обслуживания сложной наукоемкой РЭА при улучшении её качества и надежности. Это возможно лишь при внедрении в проект новых интеллектуальных технологий и формировании новых организационно-производственных структур для выполнения
наукоемких проектов, связанных с разработкой, производством, эксплуатацией и утилизацией сложной высоконадежной РЭА. Новую организационную модель представляет концепция виртуального предприятия, в которой владельцы интеллектуальной собственности (идей, проектов) становятся центром глобального сотрудничества. Виртуальное предприятие обладает единой информационной инфраструктурой на базе новейших коммуникационных технологий и общими базами данных, доступ к которым имеют все предприятия вплоть до подразделений в рамках их компетенций.
3. Формализация дестабилизирующих воздействий. Дестабилизирующие воздействия на БСУ и ЭРИ разделяются по источнику воздействий (рис. 3) [2].
Внешние воздействия можно разделить на три класса.
I класс - вызывающие быструю реакцию БСУ и ЭРИ: механические
(вибрация, ударные нагрузки, линейные ускорения, акустический шум); климатические; космические; электромагнитные; радиационные.
II класс - вызывающие накапливающую реакцию БСУ и ЭРИ: повышенная влажность; иней и роса; плесневые грибы; агрессивные среды; соляной туман; песок и пыль; пониженное давление; специальные среды.
III класс - учитывающие специфику объекта, на котором установлена БСУ: наземные; морские; самолетные; ракетные; космические; комбинированные.
Внутренние воздействия на БСУ и ЭРИ, возникающие в результате воздействия внешних ВФ, можно разделить на три вида:
I вид - электрические (электродинамические, электростатические, электрохимические).
II вид - тепловые (перегрев, зависящий от электрических режимов БСУ и
РЭА).
III вид - механические (резонансно-ударные явления и конструкционнодеформационные напряжения и т. п.).
На рис. 3 показано:
- затемнением - ВФ и объекты, которые могут использовать предлагаемые методы и модели;
Км, КВл, Кд - коэффициенты эксплуатации, зависящие от степени
воздействия на ЭРИ механических нагрузок, повышенной влажности, атмосферного давления;
КР - коэффициент разработчика (учитывает режим работы ЭРИ).
Рис. 3. Модель воздействующих факторов
Заключение. Предложенные модели являются основой разработки бортовой высоконадежной РЭА, поддержки ЖЦ и эксплуатации ее по техническому состоянию для ЛА нового поколения.
Литература
1. Писарев В.Н., Соколов А.О. Информационная поддержка системы управления качеством продукции// Надежность и качество - 2002. Сб. докладов международного симпозиума. - Пенза: Изд-во Пензенского гос. ун-та. 2002. С. 264-265.
2. Говоренко Г.С. Модели и методы управления процессами обеспечения показателей надежности и качества бортовых систем управления летательных аппаратов на всех этапах жизненного цикла // Доклады академии военных наук. №5(34). 2008. С. 28-34.