Критерии оценки эффективности и надежности БУВК как сложных систем

Современные БУВК проектируются как системы, содержащие несколько бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), которые могут работать как в режиме независимого решения разных задач, так и в режиме резервирования. При этом при исправности всех БЦВМ системы решается максимальный объем задач, а при возникновении отказа какой-либо БЦВМ решение ее задач переходит кдругой БЦВМ, находящейся в резерве.

Если отказы возникли в нескольких БЦВМ и все резервные БЦВМ переведены в рабочий режим, то возникает проблема — что делать при возникновении еще одного отказа.

В этой ситуации в пределах ограничений на массу и объемы бортовой аппаратуры и ее стоимости можно вводить больше резервных БЦВМ, чтобы с запасом обеспечить требуемую (заданную в ТЗ) вероятность безотказной работы БУВК на протяжении всего времени работы САУ. Для САУ PH это время от старта до момента выведения (доставки) полезной нагрузки в заданную точку.

Как правило, в ТЗ на САУ задается величина вероятности выполнения этой задачи с определенной точностью. Обычно задается вероятностное отклонение от траектории на момент завершения работы. Вероятность выполнения задачи включает в себя две составляющие, одна из которых — это алгоритмическая вероятность выполнения заданной точности при условии исправной работы аппаратуры САУ от момента старта Ц₀) до момента отделения полезной нагрузки (ф.

Для увеличения вероятности выполнения задачи необходимо стремиться увеличить вероятность безотказной работы всех подсистем, в том числе БУВК.

На практике эта проблема решается комплексом мероприятий. Основные принципы обеспечения надежности БУВК в порядке важности (весомости) можно представить в виде пирамиды (рис. 6.1).

Часть 1. Создание CAV.

Рис. 6.1. Меры обеспечения надежности.

Первый уровень (приоритет) — простота технических решений. Как правило, это использование технических решений, ориентированных на использование в производстве технологий, основанных на базовых отработанных конструкторских и схемотехнических решениях. В итоге это культура проектирования, в частности использование отработанных методик расчета.

Второй приоритет имеет применение надежных ПКИ, при этом необходимо сократить номенклатуру ПКИ, например типов интегральных микросхем, а также сократить количество предприятий-поставщиков, так как целесообразно сконцентрировать на ограниченном числе предприятий-изготовителей ЭРИ не только технологические и интеллектуальные ресурсы разработчиков, но и финансовые ресурсы.

Третий приоритет — это полнота отработки КД, как на моделях, так и на опытных и экспериментальных образцах приборов САУ. В связи с этим большую весомость имеет уровень культуры производства, т. е. применение отработанных технологических процессов, имеющих максимальную степень автоматизации.

Четвертый приоритет имеет непрерывная работа по обеспечению качества в процессе производства, для чего каждый.

j Проектирование аппаратуры систем автоматического управления.

I_для работы в экстремальных условиях_I.

отказ анализируется комиссией, состоящей из представителей производства, разработчиков КД и технического контроля. Результатом работы комиссии является выработка практических рекомендаций (мероприятий) по исключению данного вида отказа (дефекта) в дальнейшем.

Таким образом, в течение всего времени изготовления данного вида аппаратуры САУ идет непрерывная работа по обеспечению качества изготавливаемой РЭА, т. е. в конечном итоге — работа по обеспечению надежности САУ в эксплуатации.

Выполнение этих основных принципов является базой для обеспечения надежности и только при их безукоснительном выполнении можно переходить к решению задач повышения надежности путем введения избыточности, т. е. резервирования различного вида.

Вопросы рационального резервирования достаточно сложны в связи со сложностью самой САУ и ее центрального звена — БУВК.

Основной проблемой при решении задачи резервирования является специфика САУ изделий РКТ, для которых характерны очень жесткие ограничения на массу, габариты и энергопотребление аппаратуры. Очевидно, что введение любого вида резервирования противоречит требованию минимизации массы, габаритов и энергопотребления. В связи с этим крайне спорным является тезис, некогда пользовавшийся популярностью в среде теоретиков в части методов повышения надежности, а именно: «за счет резервирования можно получить сколь угодно высокий уровень надежности».

Необходимо иметь в виду, что несоблюдение основных принципов («пирамиды») приведет к тому, что при резервировании просто возрастет суммарный поток отказов, так как к отказам основных компонентов добавятся отказы резервных. Учитывая, что подключение резерва, как правило, требует физических (электрических) связей основной и резервной аппаратуры, возникает серьезная проблема нераспространения неисправностей от резервных блоков к основным. Вопросом Часть 1. Создание CAV.

оптимизации резервирования уделено значительное внимание и существует достаточно обширная литература. Из всех источников целесообразно отметить монографию [10].

Учитывая специфику функционального назначения САУ, а именно вероятностный характер целевой функции системы — обеспечение вывода полезной нагрузки в заданный район с определенной заданной вероятностью (В) достижения точности вывода, для выбора оптимального варианта построения БУВК можно использовать техническую эффективность — как вероятность выполнения задания системой в целом [II, 12]. Эта вероятность В определяется произведением вероятностей безотказной работы аппаратуры Р (t) и алгоритмической эффективности Е (г|) как вероятности выполнения задания системой при условии безотказной работы аппаратуры.

где Р (t) — вероятность безотказной работы аппаратуры САУ;

Е (г|) — алгоритмическая вероятность выполнения задачи при условии безотказной работы аппаратуры.

На значение ?(г|) влияют точностные характеристики датчиков (например, инерциальной подсистемы), алгоритмические (методические) погрешности алгоритмов управления, вычислительные ошибки при решении задач в БУВК. Влияют также внешние факторы, например климатические условия на разных участках траектории как активного, так и пассивного участков полета.

Вероятность безотказной работы аппаратуры Р (t) является достаточно самостоятельной и учитывается в оценке обшей вероятности выполнения задачи.

Как уже отмечалось, стремление максимизировать P (i) может оказаться нерациональным, так как аппаратурные ресурсы в ряде случаев целесообразно направить не на увеличение кратности резервирования, а на увеличение величины компоненты ?(t|), например путем увеличения состава или сложности решаемых задач за счет введения подсистем коррекции Проектирование аппаратуры систем автоматического управления.

_для работы в экстремальных условиях_.

параметров движения (подсистем спутниковой и оптической коррекции, подсистемы коррекции по геофизическим полям и т. п.).

Введение

функциональных подсистем и соответственно задач уточнения параметров движения требует увеличения вычислительной мощности БУВК, на вычислители которого возлагается решение не только основных задач по управлению движением, но и задач повышения точностных характеристик. Выбор рационального варианта требует решения задачи оптимизации распределения вводимых аппаратурных ресурсов, т. е. выбора пути, куда целесообразнее направить дополнительное оборудование — на повышение Р (г) за счет увеличения кратности резервирования или на повышение точностных характеристик за счет решения дополнительных задач и увеличения значения функции Е (ц).

Вопросы оптимального распределения ресурсов рассмотрим на примере многомашинного БУВК, содержащего в своем составе несколько идентичных вычислителей (бортовых вычислительных машин).

В современных САУ задачи, решаемые БУВК, можно разбить на два уровня:

• 1) Задачи абсолютной важности — это задачи стабилизации и навигации, невыполнение которых означает полное невыполнение САУ своих целевых функций, так как приводит к потере управления изделием и ни о какой точности не может быть речи.
• 2) Задачи относительной важности, решение каждой из которых повышает вероятность выполнения целевой задачи, а именно — вероятности доставки полезной нагрузки с требуемой точностью, т. е. решение задач относительной важности повышает точностные характеристики работы САУ.

Таким образом, Е (ц) — векторная функция, зависящая от состава решаемых задач абсолютной и относительной важности. Введем обозначения весомости задач:

г|_п — задача абсолютной важности;

Часть 1. Создание CAV.

rip r|₂, г|₃, … г)_п — задачи относительной важности, где г|. — относительный вклад каждой задачи в повышение вероятности выполнения задачи.

При распределении задач целесообразно с наибольшей надежностью решать задачи абсолютной важности (т. е. г|₀), невыполнение этих задач, как уже было отмечено, приводит к потере объектом управления. Таким образом, при снятии с решения задач абсолютной важности г|₍₎ вектор Е (г|.) = О и, следовательно, целевая функция В = P (t)? Е(г|.) = 0.

Для решения дополнительных задач Г|., повышающих вероятность выполнения задания (т. е. повышающих точность выведения), необходимо увеличивать производительность БУВК, для чего в его состав добавляют дополнительные вычислительные машины (модули).

Современные БУВК САУ PH строятся по магистрально-модульному принципу, когда к обшей магистрали подключается необходимое количество вычислительных модулей (ВМ) или модулей каналов обмена (МКО). На рис. 6.2 приведена структурная схема БУВК.

Рис. 6.2. Структура магистрально-модульного БУВК.

j Проектирование аппаратуры систем автоматического управления I_для работы в экстремальных условиях_I.

Управление взаимодействием модулей между собой и контроль их исправности осуществляет центральный модуль управления (ЦМУ) или, как его обычно называют, системный модуль (СМ), который представляет собой также вычислительную машину, аппаратурные затраты которой минимизированы для обеспечения надежности, например разрядность уменьшена до 16 (вместо 32-разрядной шкалы ВМ, от которых требуются высокоточные вычисления). СМ решает, как правило, задачи логического характера и от него не требуется высокой производительности при решении функциональных задач управления, поэтому в ряде случаев для повышения надежности его реализуют как вычислитель с мажоритацией на уровне блоков процессор — запоминающее устройство — блок управления магистралью [13].

СМ управляет трехкратно резервированной магистралью, к которой через свои устройства связи с магистралью (УСМ) подключены остальные модули ВМ и МКО.

Количество ВМ определяется требуемой производительностью и степенью резервирования. Количество МКО определяется составом периферийных подсистем, при этом МКО, работающие на одно направление, как правило, дублируют.

Описанная структура БУВК позволяет в пределах заданных ограничений на его массу, габариты и энергопотребление включать (перераспределять) в процессе работы в зависимости от состава задач на каждом участке полета необходимое количество модулей, работающих или в режиме параллельного счета функциональных задач, или в режиме резервного счета.

С целью максимизации целевой функции В = Р (t) • Е (г|) необходимо рационально назначать в процессе работы ВМ или в режим параллельного счета с целью повышения алгоритмической эффективности Е (х), или в режим резервного счета с целью повышения надежности, т. е. величины P (t).

Из-за возможных отказов ВМ в процессе работы возникает задача динамически находить оптимальное распределение ресурсов для каждого участка полета и каждого состояния ис- 48.

Часть 1. Создание CAV.

правности ВМ. Очевидно, что эта задача не может быть решена заранее перед началом работы САУ, так как поток отказов ВМ носит случайный характер и задачу динамического распределения ресурсов можно решить только в полете. Показано, что задача оптимального распределения ресурсов может быть решена на борту в СМ с помощью модификации метода динамического программирования [14].

Таким образом, современные БУВК — это сложные системы, динамически реконфигурируемые в процессе полета, с гибкой структурой, но с фиксированным составом определенных модулей и связями между ними.

БУВК — это сложная система с гибкой архитектурой, распределение задач и резерва в которой на каждый момент полета заранее неизвестно. Эта гибкость архитектуры позволяет, в отличие от известных способов повышения надежности путем резервирования, решить задачу максимизации технической эффективности БУВК, определяемой через вероятность выполнения задачи САУ, а не решать частную задачу повышения надежности аппаратуры той или иной подсистемы САУ.

Таким образом, при оценке качества разрабатываемой вычислительной системы целесообразно от частных критериев (таких как быстродействие, емкость запоминающих устройств, энергопотребление, масса и габариты) перейти к комплексному показателю — оценке качества через критерий верхнего уровня, а именно вероятности выполнения задания САУ, а частные критерии перевести в ранг ограничений.

Перечень вопросов лля самоконтроля

• 1. Почему использование критерия технической эффективности предпочтительнее оценки качества БУВК по частным критериям надежности?
• 2. Каковы основные составляющие критерия технической эффективности?
• 3. В чем заключается сложность решения задачи оптимизации технической эффективности БУВК в процессе полета? j Проектирование аппаратуры систем автоматического управления I_для работы в экстремальных условиях_I
• 4. Возможно ли, по Вашему мнению, создание надежной аппаратуры из ненадежных элементов применением резервирования?
• 5. Какова роль культуры производства в обеспечении качества и надежности изготавливаемой аппаратуры?
• 6. В чем отличие оценки надежности по вероятности безотказной работы и по вероятности отказа на заданном интервале работы?
• 7. Как определяется кратность резервирования?
• 8. В каких случаях применение скользящего резервирования оправдано?
• 9. Какова роль надежности ПКИ при изготовлении аппаратуры?
• 10. Какими методами обеспечивается высокая культура производства?
• 11. Как, по Вашему мнению, предпочтительно сравнивать надежность вариантов повышения надежности (по отношению вероятностей безотказной работы или вероятностей отказа на заданном интервале работы)?