САПР в расчёте и оценке показателей надёжности радиотехнических систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 519.718.2

Стюхин В.В. , Кочегаров И.И., Трусов В.А.

Пензенский государственный университет

САПР В РАСЧЁТЕ И ОЦЕНКЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Аннотация. В статье рассмотрены фазы этапа проектирования электронных средств. Определена главная цель САПР по расчету надежности. Проанализированы концепция программного пакета АСРН2006 и комплекса АРБИТР (ПК АСМ СЗМА). Предложена концепция комбинированной САПР расчета надежности.

Ключевые слова: Методика расчета надежности, САПР, жизненный цикл, показатели надежности,

графовая модель

Обеспечение надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на этапах её проектирования одна из важнейших задач, решаемая разработчиками. Необходимо создание пакета программ (ПП) для расчета показателей безотказности, ремонтопригодности, долговечности, который объединял бы в себе передовые концепции уже существующих ПП.

Рассматривая жизненный цикл электронных средств (ЭС) можно выделить фазы этапа проектирования электронных блоков (см. рисунок 1):

- схемотехническое проектирование узла и разработка принципиальной электрической схемы;

- проектирование печатной платы узла;

- создание карты рабочих режимов и условий применения;

- расчет показателей надежности узла;

- проектирование корпуса электронного блока;

- трехмерное проектирование (3-D проектирование) и моделирование электронного узла;

- выпуск конструкторской документации.[3]

Рисунок 1 Примерный цикл разработки электронного узла с применением системы автоматизированного проектирования (САПР)

При расчете показателей надежности главная цель САПР является получение достоверной информации о свойствах надежности систем определённого уровня разукрупнения. Чтобы делать это более эффективно, такой ПП должен удовлетворять следующим условиям:

- использовать апробированные на практике методы расчета надёжности;

- иметь дружественный графический интерфейс;

- располагать базой данных по надежности известных ЭС и обеспечивать возможность создания, хранения, копирования новых решений;

- иметь возможность графического представления результатов расчетов и средства для их документирования [1] .

САПР по расчету показателей надежности распространены на предприятиях выпускающих продукцию в интересах Министерства обороны РФ. После появления стандартов «Мороз» и «Климат», использование ПП по расчету показателей надежности на предприятиях стало особенно актуально, так как эти стандарты позволяют решать задачи создания высоконадежных РЭС в рамках CALS-технологий

[1] .

Из цикла разработки электронного узла (ЭУ), изображенного на рисунке 1, следует, что расчет надежности необходим на этом уровне разукрупнения так как вносит свои проектные решения.

Для расчета систем на уровне блока интересна концепция программного пакета АСРН 2006. Так же как и во многих подобных программах, в АСРН 2006 используется ряд допущений установленных требованиями государственных и международных стандартов и нормативных документов. ПП работает с библиотеками электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Пользователь вводит данные, для расчета эксплуатационной интенсивности отказов руководствуясь картой рабочих режимов, для каждого ЭРЭ. Если информации по типу элементов ЭУ не достаточно, то для расчета используют информацию о группах элементов. Так же в программе заложена библиотека иностранных групп элементов, это позволяет рассчитывать надежность ЭУ, в котором используются покупные комплектующие изделия (ПКИ) всемирно известных производителей ЭРЭ. В АСРН 2006 есть возможность включать в расчет и неохва-

ченные библиотеками ЭРЭ, но в данном случае интенсивность отказов при эксплуатации и хранении берут из специализированной документации на эти изделия.

В свою очередь выходными данными служат таблица с указанием коэффициентов ЭРЭ, рассчитанной интенсивностью отказов. Так же в выходных данных представлены названия ЭРЭ, температура окружающей среды, количество каждого типа ЭРЭ. По желанию пользователя программный пакет может рассчитать вероятность отказа. Все выходные данные программы АСРН 2006 можно импортировать в формат RTF и html-документ.

Расчет надежности необходим и для проектирования систем взаимодействия элементов. На основе такого расчета могут быть решены некоторые проектные решения по оптимизации системы. Это стало актуально после появления высокоразмерных систем, расчет показателей надежности которых, нуждается в нетривиальном подходе.

Интересна концепция программного комплекса АРБИТР (ПК АСМ СЗМА). Принцип основан на общем логико-вероятностном методе (ОЛВМ) системного анализа и реализует возможность применения информационных технологий для структурно-логического моделирования систем [2].

С помощью ПК АРБИТР появилась возможность оптимизации системы. Перед началом работы пользователь ПП вводит структурную модель, например, граф взаимодействия элементов и задает его количественные параметры. В ПП в автоматизированном режиме происходит построение математических моделей, и производятся расчеты на основе заложенных данных. Основной чертой АРБИТР является использование базисов логических операций «И», «ИЛИ», «НЕ» для оптимизации моделей расчета. Результат такого расчета ложиться в основу исследовательских и проектных решений [3].

Такой подход, как показано в [4, 5], дает определенные преимущества.

Очень многие системы взаимодействия, на данный момент, имеют сложные структуры соединения, которые не могут быть сведены ни к параллельно-последовательной ни к последовательнопараллельной схемам, состоящие из большого количества составных частей (СЧ). Для таких систем, актуально создание пакетов программ, которые позволяют делать оценку, с точки зрения надежности, более эффективной.

Автоматизация необходима для упрощения, быстроты и определённой точности расчётов при оценке надежности систем. Ведь современные средства вычислительной техники позволяют создавать системы автоматизированного проектирования (САПР) со сложными внутренними структурами. Целесообразно, для сложных систем, автоматизировать метод «прямого перебора».

Метод заключается в определении множества состояний произвольной системы, состоящей из n элементов и может находиться в 2n различных состояниях, комплексным показателем которой является коэффициент готовности - Кг. Для заданных в ТЗ требований коэффициент готовности рассчитывается по формуле:

По ГОСТ 27.002-89 коэффициент готовности (Кг) - это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается. То есть, на момент времени, когда объект или систему начнут эксплуатировать, он или она будет готова к эксплуатации с определённой вероятностью.

Когда определен критерий отказа системы, то, применив его к каждому из состояний, всё множество состояний можно разделить на два подмножества: подмножество состояний работоспособности системы z и подмножество состояний отказа системы q.

Рассмотрим эффективность метода «прямого перебора» на примере мостиковой схемы (рисунок 2).

Такая схема состоит из идентичных элементов. Требуется найти коэффициент готовности для всей системы в целом, учитывая состояние каждой составной части (СЧ).

Решение. Составляем таблицу возможных состояний (таблица 1) и по рисунку 2 определяем, к

какому подмножество относится то или иное состояние. Таблица 1

Индекс состояния Состояние элементов Вид подмножества Вероятность состояния

а *1 *2 *3 *4 *5 z, q Pa

0 1 1 1 1 1 z Кг5

1 0 1 1 1 1 z (1-Кг) X Кг4

2 1 0 1 1 1 z (1-Кг) X Кг4

3 1 1 0 1 1 z (1-Кг) X Кг4

4 1 1 1 0 1 z (1-Кг) X Кг4

5 1 1 1 1 0 z (1-Кг) X Кг4

12 0 0 1 1 1 q (1-Кг)2 X Кг3

13 0 1 0 1 1 z (1-Кг)2 X Кг3

14 0 1 1 0 1 z (1-Кг)2 X Кг3

15 0 1 1 1 0 z (1-Кг)2 X Кг3

23 1 0 0 1 1 z (1-Кг)2 X Кг3

24 1 0 1 0 1 z (1-Кг)2 X Кг3

25 1 0 1 1 0 z (1-Кг)2 X Кг3

34 1 1 0 0 1 z (1-Кг)2 X Кг3

Индекс состояния Состояние элементов Вид подмножества Вероятность состояния

35 1 1 0 1 0 z (1-Кг)2 х Кг3

45 1 1 1 0 0 q (1-Кг)2 х Кг3

134 0 1 0 0 1 z (1-Кг)3 х Кг2

135 0 1 0 1 0 q (1-Кг)3 х Кг2

145 0 1 1 0 0 q (1-Кг)3 х Кг2

234 1 0 0 0 1 q (1-Кг)3 х Кг2

235 1 0 0 1 0 z (1-Кг)3 х Кг2

245 1 0 1 0 0 q (1-Кг)3 х Кг2

345 1 1 0 0 0 q (1-Кг)3 х Кг2

1345 0 1 0 0 0 q (1-Кг)4 х Кг

В таблице Xi = 1 обозначает, что i-й элемент исправен, a Xi = 0 - что он неисправен. Для примера в таблице показаны некоторые из подмножеств q - состояний отказа системы.

Исходя из таблицы, можно составить формулу P(t) - коэффициента готовности всей системы в

целом[5]:

P(t) = Кг5 + 5х(1-Кг) х Кг4 + 8х(1-Кг)2 х Кг3+2х(1-Кг)3 х Кг2,

т. е. учитываются все работоспособные состояния системы и отслеживаются все варианты ведущие к катастрофическим последствиям.

Самая сложная задача для разработчика такого программного пакета - нахождение подмножества работоспособности системы z и подмножества состояний отказа системы q. Предлагается использовать теорию графов.

Граф — это совокупность множества Х, элементы которого называются вершинами, и множества А упорядоченных пар вершин, элементы которого называются дугами. Граф обозначается как (X, А).

Графовые модели охватывают довольно широкий класс задач, например встречающихся при проектировании систем[5,6]. А так же существует много алгоритмов, которые описывают графы. Исходя из этого, целесообразно использовать эту теорию на практике, для определения показателя надёжности системы с помощью вычислительной техники. В данном случае таким показателем является коэффициент готовности всей системы в целом P(t) и коэффициент готовности КГ каждой отдельной

её СЧ.

Представим рассматриваемую схему в виде графа переходов (рисунок 3).

Рисунок 3 Граф на основе мостиковой схемы

На рисунке 3 изображён граф на основе мостиковой схемы, где 1, 2, 3, 4, 5 - вершины графа с номерами соответствующие элементам схемы; 6, 7 - исток и сток соответственно.

Для нахождения всех z, q состояний системы исключаем поочерёдно вершины графа, кроме 6 и 7, так как в этих вершинах определяются входные и выходные параметры. Вершины 6 и 7 показываются условно и к схеме не относятся.

В процессе исключения вершин из схемы соединения, с помощью алгоритма изображённого на рисунке 4 определяем состояния z и q.

Таким образом, выходными данными будут таблица состояний системы и значение коэффициента готовности P( t).

Создание пакетов программ на основе метода «прямого перебора» и использование теории графов, позволит рассчитывать готовность сложных систем к эксплуатации, например телекоммуникационных или даже систем общевойсковых взаимодействий. Человек не в состоянии проследить множество состояний системы, допустим состоящей из 100 элементов, вариантов может быть 2100 *

1,26х1030, тогда как для компьютера эта задача легко автоматизируется [6-12].

Таким образом, создание реализаций при построении алгоритма САПР, объединяющей, концепции таких ПП как АРБИТР (ПК АСМ СЗМА) и АСРН 2006 позволит выйти на новый уровень расчета надежности при проектировании системы, как на уровне блока, так и на более высоких уровнях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ямпурин Н. П. Основы надежности электронных средств: учебное пособие для студ. высш.

учебн. заведений / Н. П. Ямпурин, А. В. Баранова; под ред. Н. П. Ямпурина. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 240 с.

2. ПК АРБИТР (ПК АСМ СЗМА). - Методы оценки надежности, безопасности и риска -

http://www.szma.com/pkasm.shtml (дата обращения 22.03.2013г.).

3. Можаев А. С. Технология автоматизированного структурно-логического моделирования надежности, живучести, безопасности, эффективности и риска функционирования систем: статья/журнал

«Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика», №9/2008, СПб: ООО Издательство

«НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», 2008, с. 1-14.

4. Кочегаров И.И. Выбор структурной схемы надёжности с применением программных средств //// НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Труды международного симпозиума В 2-х томах. Том 1. /Под ред. Н.К. Юр-кова.—Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012- С..

5. Кочегаров И.И. Автоматизация расчёта и оценка показателей надёжности радиотехнических систем /Кочегаров И.И., Стюхин В.В.// // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Труды международного симпозиума В 2-х томах. Том 1. /Под ред. Н.К. Юркова.—Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012- С..

6. Кочегаров И.И., Гришко А.К., Трусов В.А. Проблемы эффективного автоматизированного проектирования управляемых технических систем// НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО : Труды Международного симпозиума: //Под ред. Н. К. Юркова. — Пенза : ИИЦ ПензГУ, 2010. - 1том - С. 285-287

7. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - 108 с.

8. Кочегаров И.И. Информационные технологии проектирования РЭС: учебное пособие/ И.И. Коче-гаров.-Пенза: Изд. Пенз гос. ун-та, 2007.-96 с.

9. Кочегаров И.И. «Применение системного анализа и межмодульного взаимодействия при проектировании конструкций РЭС» // Методы и системы обработки информации: Сб. научн. ст. Ч. 2.-М.: Горячая линия - Телеком, 2004- С. 155-159.

10. Кочегаров И.И. «Межсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания РЭС» // Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества: Материалы научно-практической конференции.-М.:МИЭМ, 2004- С. 130-136.

11. Горячев Н.В. Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н.В. Горячев, И.Д. Граб, А.А. Рыжов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2010. № 4. С. 25-30.

12. Горячев Н.В. Индикатор обрыва предохранителя как элемент первичной диагностики отказов РЭА / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 78-79.