Решение задач кластеризации и классификации для определения тепловых режимов работы радиоэлектронной аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 519.237.8

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ КЛАСТЕРИЗАЦИИ И КЛАССИФИКАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

В. В. Деревянко, Е. Д. Карепова*, Д. А. Нестеров, Ю. В. Шанько

Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 *E-mail: e.d.karepova@icm.krasn.ru

Предложен алгоритм определения тепловых режимов работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры по данным измерений температуры. Работа алгоритма протестирована на данных экспериментов на многофункциональном лабораторном стенде.

Ключевые слова: тепловой режим, бортовая аппаратура, кластеризация, классификация.

CLUSTER ANALYSIS AND STATISTICAL CLASSIFICATION OF A THERMAL OPERATING MODES OF ELECTRONIC UNITS

V. V. Derevyanko, E. D. Karepova*, D. A. Nesterov, Yu. V. Shan'ko

Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation *E-mail: e.d.karepova@icm.krasn.ru

This paper presents an approach for reliable identification of a thermal operation mode of an electronic equipment. The approach uses the row temperature data obtained during the experiments at a multifunction laboratory test bench. The approach can be used for condition monitoring of the electronic equipment by processing the temperature sensors data. Violations in the operation of the equipment can be detected by evaluating the deviations of the current state from the thermal modes according to the accumulated data.

Keywords: a thermal operating mode, an on-board electronic equipment, cluster analysis, statistical classification.

Многолетний опыт тестирования электронного оборудования в космической промышленности показал, что 80 % электромеханических отказов связано с различными термическими воздействиями на оборудование и примерно 20 % отказов приходится на различные виды вибраций и ударное воздействие [1]. В связи с этим контроль тепловых режимов бортовой радиоэлектронной аппаратуры является важным способом повышения надежности космического аппарата.

В данной работе обсуждается построение алгоритмов надежного определения тепловых режимов работы силовых модулей для системы электропитания космического аппарата. Алгоритмы используют исходные данные о температуре, полученные во время экспериментов на многофункциональном лабораторном стенде, который имитирует работу блока радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Лабораторный стенд представляет собой вакуумную камеру, в которой укреплено теплоотводящее основание для установки макетов блоков РЭА (тепловых имитаторов), которое обеспечивает поддержку температуры в пределах ±1 °С в диапазоне от -30 до +60 °С. Макет блока РЭА выполнен в виде прямоугольной алюминиевой рамки с наклеенной текстолитовой платой, на которую установлено 16 нагревателей УТ1-УТ16 (мощных транзисторов), имитирующих работу реальных радиоэлементов на силовом модуле. Тепло от греющихся при работе транзисторов

отводится по рамке через плоскую нижнюю поверхность блока («пятку») к теплоотводящему основанию стенда. Конструкция макета и схема отвода тепла близки к реальным конструкциям модулей, входящих в состав бортовой РЭА. Лабораторный стенд оснащен средствами измерения теплофизических параметров с помощью тепловизора и температурных датчиков (термисторов ЯТ1-ЯТ31, термометров сопротивления ТБ1-ТБ4 и термопар ТС1-ТС6), расположенных на поверхности рамки и теплоотводящем основании. Схема размещения элементов на макете РЭА показана на рис. 1, а). Стенд обеспечивает работу тепловых имитаторов в атмосферных условиях и в вакууме при давлении не выше 1.3-10-3 Па (10-5 мм рт. ст.).

Бортовая РЭА может работать в нескольких штатных режимах. Каждый режим определяется фиксированным набором активных радиоэлементов, которые выделяют тепло, следовательно, можно говорить о соответствующих тепловых режимах работы РЭА (рис. 1, б). В экспериментах на многофункциональном лабораторном стенде рассматривалось восемь различных режимов работы макета блока РЭА, включая режим, при котором мощность подавалась на все 16 транзисторов. Девятым считался режим, в котором все нагреватели выключены. В рамках одного режима на все активные транзисторы подавалась одинаковая мощность, которая варьировалась от эксперимента к эксперименту в пределах от 0,5 до 8 Вт.

Решетневские чтения. 2018

б

Рис. 1. Макет РЭА:

а - схема размещения элементов; б - примеры тепловых режимов работы (снимки тепловизором)

а

Рис. 2. Результат кластеризации методом ¿-средних: а - в вакууме; б - в атмосфере

б

а

Для анализа мы располагали данными о 123 экспериментах в вакууме и 88 экспериментах в атмосфере. Некоторые из этих экспериментов (12 в вакууме и 13 в атмосфере) соответствовали нештатным ситуациям, при которых на транзистор, который должен быть активный подавалась не номинальная мощность или он был выключен совсем. Кроме того, в экспериментах варьировалась температура теплоотводящего основания и окружающей среды (для экспериментов в атмосфере). Для анализа нам были доступны следующие данные: О - мощность, подаваемая на к-й транзистор УТ в /-м эксперименте; ^ - температура]-го термистора ЯТ, ^ - температура теплоотводяще-

го основания и ^ - температура окружающей среды (для экспериментов в атмосфере).

Анализ выполнен в среде статистической обработки данных Я. Прежде всего, необходимо было оценить, насколько достоверно по имеющимся данным режимы могут быть отделены друг от друга. Поскольку в рамках одного режима температуры теплоотво-дящего основания и окружающей среды изменяются в широких пределах, значения измеренных температур не могут быть использованы напрямую для определения режима. Для кластеризации были рассчитаны псевдотемпературы . Для этого из измеренных температур было исключено влияние внешних факто-

_ 2 i A base. i env i base env

ров t j = tj - aj tbase - aj tenv , где величины üj и ü,

вычислены как коэффициенты линейной регрессии

tj = f (tb ase, tenv, Q'k). Затем полученные значения были

нормализованы и использованы для кластеризации методом k-средних отдельно для экспериментов в вакууме и атмосфере. На рис. 2 представлены проекции нормализованных псевдотемператур на плоскость, определенную первыми двумя главными компонентами. Точки, соответствующие одному режиму, помечены одинаковым символом, обозначенным в легенде. Точки, соответствующие одному и тому же кластеру, изображены одинаковым цветом. Из графиков видно, что тепловые режимы хорошо кластеризуются, только одна точка, отмеченная красной окружностью, не попала в свой кластер.

Далее была решена задача классификации методом ближайшего центроида с евклидовым расстоянием с обучением на наборе из 100 экспериментов в вакууме и 68 экспериментов в атмосфере. Проверка осуществлялась на 23 экспериментах в вакууме и 20 экспериментах в атмосфере. Во всех 100 % тестовых случаях тепловой режим был определен правильно.

Reference

1. Steinberg Dave S. Vibration analysis for electronic equipment. New York: A Wiley-Interscience publication, 2000. 432 p.

© Деревянко В. В., Карепова Е. Д., Нестеров Д. А., Шанько Ю. В., 2018