CC BY
78
Авакян А.А. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ
Особенностями комплексов бортового оборудования (КБО), как объекта технической эксплуатации, являются:
A) Такие элементы структуры КБО, как его конструктивные элементы, то есть конструктивно-съемные единицы (КСЕ) и съемно-сборочные единицы (ССЕ). Совокупность КСЕ и ССЕ будем называть устройствами КБО. Устройства КБО могут быть объединены в некоторые системы, которые будем называть конструктивными системами КБО. Требования по эксплуатационным характеристикам (надежности, контролепригодности, технологичности и т. д.) должны предъявляться только к устройствам и конструктивным системам КБО. При этом эти требования должны быть такими, чтобы удовлетворялись все требования, предъявляемые ко всем функциональным элементам и системам КБО, задаваемым в ТЗ. То есть требования по эксплуатационным характеристикам для устройств и конструктивных систем КБО должны разрабатываться на основе требований к функциональным элементам и системам КБО, в которые они входят.
Б) Для подавляющего большинства устройств КБО эксплуатация по ресурсу не применима. Действительно, поток подавляющего большинства элементов (за исключением механических и ряда электромеханических узлов) КБО является пуассоновским. Было показано [3,4], что область значений ресурсов элементов КБО в миллионы раз превышает периоды морального старения КБО. Для таких условий профилактическая замена исправного устройства, имеющего определенный период наработки, не может привести к повышению характеристик безотказности КБО.
B) Большинство устройств КБО состоят из элементов электроники, преобразующих, в основном, дискретные сигналы.
Г) В состав КБО всегда входят высокопроизводительные бортовые компьютеры.
Д) Обмен информацией между устройствами КБО осуществляется по высокоскоростным магистралям в виде дискретных и частично аналоговых сигналов. В перспективных КБО магистральная информация сжимается в компьютерных концентраторах.
Е) Устройства КБО, выполняющие критические функции, резервируются.
Анализ этих особенностей позволяет сделать следующий вывод.
Наиболее эффективным принципом технической эксплуатации и ремонта КБО является эксплуатация с непрерывным встроенным (на борту) контролем состояния его устройств и прогнозированием возможных неисправностей для принятия решения о замене устройства на исправное.
Такой принцип эксплуатации и ремонта может быть отнесен к одному из вариантов традиционного метода эксплуатации по техническому состоянию. Полное применение этого метода для КБО не возможно, поскольку этот метод, кроме информации результатов контроля состояния использует информацию контроля уровня надежности. Контроль уровня надежности конкретного экземпляра КБО невозможен вследствие принципиальной недостаточности статистических данных о неисправностях устройств КБО. Действительно, ожидаемое квартальное количество неисправностей для типового КБО, средний период, между неисправностями которого не бывает менее 10 часов и годовой налет самолетов, на которых устанавливаются КБО, не превышает 3000 часов, с учетом доверительных интервалов [3], эта величина будет равна 50 - 80. Количество устройств КБО имеет порядок 100. Следовательно, в течение квартала в одном устройстве КБО возникнет в среднем не более одной неисправности. Поскольку оценка изменения уровня надежности [3] при таких объемах статистики невозможна, то и эксплуатация по техническому состоянию с контролем уровня надежности также невозможна.
Таким образом, одним из важнейших факторов эффективности технической эксплуатации и ремонта КБО является обеспечение высоких характеристик контролепригодности КБО на всех этапах его эксплуатации.
Рассмотренные выше особенности КБО показывают, что практически всю информацию о техническом состоянии и неисправностях устройств КБО можно получить на борту ЛА, то есть методами и средствами встроенного контроля (ВСК). Для этого необходимо обеспечить для всех функциональных и конструктивных элементов и систем КБО высокие значения следующих основных характеристик контролепригодности:
полнота;
достоверность;
интервал между моментом возникновения отказа и его парированием.
Рассмотрим характеристики полноты и достоверности контроля. Введем обозначения:
Коэффициент полноты контроля ц, равный отношению количества отказов n, выявляемых при контроле к общему количеству отказов N, то есть: n
Ц =— (1)
4 N
0 < ц< 1
Коэффициент ложного контроля цЬ , равный отношению количества ложно определенных отказов nL к общему количеству отказов N, то есть:
Ц = N (2)
0 < цЬ< 1
Поскольку поток отказов изделий электроники является пуассоновским, то вероятность возникновения отказа изделия за период t будет равна:
р =\-е-Ь (3)
где - X- интенсивность отказов.
При малых значениях величины X (менее 10-2 отказа в час) формула (3) может быть преобразована следующим образом:
P=Xt (*)
При t равном одному часу вероятность отказа (4) численно равна количеству отказов изделия за час, поскольку интенсивность отказов есть количество отказов изделия за единицу времени.
На основания выражения (4) выражения (1) и (2) можно преобразовать к следующему виду:
P P
Ц = — =-----—---- (5)
' Pn Pc +Pn
Где:
Рс- вероятность контролируемого отказа изделия;
Ры-вероятность контролируемого и неконтролируемого отказов изделия;
Рп- вероятность неконтролируемого отказа изделия.
Р Р
Л = — = ——— (6)
Л Р N Р ЩЬ -Р Ь
Где:
РЬ- вероятность ложно определенного отказа изделия;
РЫЬ- суммарная вероятность ложно определенного и реально возникшего отказа изделия. Из выражения (5) найдем выражение для вероятности неконтролируемого отказа изделия:
Р„ Л =Р с Рс Л = Р/1-Л ) (7)
РЩЩ-Л) (8)
откуда:
^ Рс(1-Л)
л
Из выражения (6) найдем выражение для суммарной вероятности ложно определенного и реально возник-
шего отказа изделия: • 7
РжЛгРь+РьЛгРьО+Ль) (9)
откуда: :ь
Р щь = Р ь(1 -Л1ь> =Р N(1+Ль) (10)
ль
Для получения полной вероятности возникновения неконтролируемого отказа расчет по формуле (9) необходимо проводить не только по реально возникающим отказам, а также учитывать ложно выявленные отказы. Следовательно, в формулу (9) необходимо вместо вероятности Ры помещать вероятность РЫь. Кроме того, чтобы отличить тестовый контроль от допускового введем индекс «т». С учетом сказанного формула (9) преобразуется к следующему виду.
Р я = Р щьт (1 -) ( 1 1 )
т
Подставив значение РЫьт из формулы (9) получим:
Р„т = Рщ(1 + Лт )(1 -Лт) (12)
Выражение (12) является формулой для расчета вероятности возникновения неконтролируемого отказа после проведения только тестового контроля. Формула для неконтролируемых отказов, в случае если проводится только допусковый контроль и не проводится тестовый контроль, будет отличаться от формулы (12) только тем, что вместо индекса «т» будет стоять индекс «<3». С учетом сказанного, формула для расчета вероятности неконтролируемых отказов при проведении только допускового контроля будет иметь вид:
Р „, = Рщ(1 +Ль,)(1 -л,') (13)
В случае, если проводятся оба вида контроля (тестовый и допусковый), то вместо полного количества отказов, вероятность возникновения которых равна Ры, допусковому контролю подвергаются только неконтролируемые отказы, оставшиеся после тестового контроля, вероятность возникновения которых равна Рпт. Следовательно, для расчета вероятности неконтролируемого отказа, после проведения тестового и допускового видов контроля, в формулу (13) вместо вероятности Ры необходимо подставить Рпт. Учитывая сказанное, формула (13) примет следующий вид:
Р„ = Рщ(1 +Лтт) *(1 -Лт) *(1 +ЛМ) *(1 -Л,) (14)
Таким образом, формула (14) является формулой для расчета вероятности возникновения неконтролируемых отказов, которые останутся после проведения тестового и допускового видов контроля.
Формула (14) показывает, как, задаваясь коэффициентами полноты (тестового и допускового) контроля и коэффициентами достоверности (ложного контроля) , можно достигнуть требуемой величины вероятности возникновения неконтролируемого отказа.
Эта проблема возникает в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую безотказность критичного, относительно безопасности полетов, функционального отказа, в устройстве, на котором реализована данная функция. Для обеспечения заданной безотказности, в этих случаях применяются методы резервирования устройств.
Нормы летной годности [1] предъявляют высокие требования к вероятности неконтролируемого, функционального отказа, возникновение которого может привести к катастрофической ситуации. Вероятность такого отказа не должна превышать величины 10-9- 10-10. Поскольку в реальных электронных устройствах удается достичь вероятности отказа 10-4-10-5, то проблема создания отказоустойчивых устройств с высокой безотказностью становится крайне актуальной.
Практика показывает, что современные методы тестового контроля позволяют обеспечить полноту тестового контроля на уровне 0.9-0.95. Следовательно, для обеспечения вероятности неконтролируемого отказа 10-9-10-10 необходимо обеспечить коэффициент полноты допускового контроля на уровне 0.9999-
0.99999. При этом должна быть обеспечена высокая достоверность контроля.
Рассмотрим требования к интервалу между моментом возникновения отказа и его парированием. Требования к этой характеристике контролепригодности важны для аппаратуры, на которой реализованы критические функции.
Максимально допустимое время интегрирования процесса от момента возникновения отказа до момента его безопасного парирования (обозначим этот интервал через Трт±п) примерно можно оценить, анализируя возможности реакции экипажа следующие события: реакция на сигнал об отказе, распознавание отказа, действия по его парированию.
Нетрудно оценить, что даже для хорошо трениро- ванного члена экипажа Tpmin не может быть меньше одной секунды. Следовательно, интервал процесса контроля критических отказов бессмысленно делать существенно меньше одной секунды.
К сожалению, в нашей нормативной документации эта норма не регламентирована. Однако, в американской нормативной документации, в частности в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD-2165 [2], эта норма сформулирована так: «95% всех возможных критических отказов должны быть обнаружены оборудованием встроенного контроля и индицированы оборудованием системы индикации отказов в течение < 1 сек., а 100% должны быть обнаружены в течение < 1 мин. 85% прочих отказов должны быть обнаружены в течение < 1 мин.»
ЛИТЕРАТУРА
1. Нормы летной годности самолетов транспортной категории (АП-25). Москва. 1993 г.
2. MIL-STD-2165 Testability Program for Electronic Systems Equipments, 1985 г.
3. А.А.Авакян, М.В.Копнёнкова, Отчет №219-02-XVI «Разработка методов формирования требований к ЭТХ КБО и его систем с учетом требований по отказобезопасности», НИР «Интеграция-2000», г. Жуковский, 2002 г.
4. А.А.Авакян Исследование и разработка отказоустойчивых вычислительных систем комплексов бортового оборудования авиационных и ракетно-космических систем (автореферат диссертации на соискание ученой степени доктор технических наук).
