Методика разработки диагностического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем

Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИ и УС), применяющиеся в настоящее время, содержат в своем составе большое количество сложной аппаратуры и устройств, отказ каждого из которых может привести к нарушению работы и отказу всей ИИ и УС. Вследствие этого повышаются требования к надежности и показателям узлов, устройств и системы в целом.

Техническое обеспечение ИИ и УС составляют электронные приборы и системы, предназначенные для осуществления связи, сбора, обработки, передачи и отображения информации (далее — приборы), которые на стадиях разработки, производства и эксплуатации являются объектами диагностирования. Контроль функционирования, работоспособности, поиск места отказа (ПМО), определение причин отказа при изготовлении опытного и серийного образца, восстановлении, ремонте прибора требуют значительных затрат времени, труда специалистов высокой квалификации. Например, средняя продолжительность ПМО составляет до 85% средней продолжительности восстановления электронной аппаратуры модульной конструкции.

Относительно большие затраты при диагностировании объясняются, в первую очередь, недостаточной приспособленностью приборов к диагностированию. Для того чтобы прибор был приспособлен к диагностированию, необходимо при его проектировании разрабатывать диагностическое обеспечение. Диагностическое обеспечение составляет комплекс взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта. Существуют объективные трудности улучшения приспособленности приборов к диагностированию, обусловленные состоянием теории диагностирования, необходимостью больших затрат на создание диагностического обеспечения.

Имеются результаты глубоких исследований в области разработки диагностического обеспечения электронных приборов. Многие из них использованы в диссертации. Теоретические основы разработки диагностического обеспечения заложены работами известных учёных, в том числе Р. Д. Беннетса, Л. П. Глазунова, Г. Гордона, В. П. Калявина, A.B. Мозгалевского, А. Н. Смирнова, Е. С. Согомоняна, П. П. Пархоменко, Г. Б. Уильямса. Значительный вклад в эту область науки внесли учёные Пензенского государственного университета. В каждом разделе диссертации приводится критическая оценка известных работ в области разработки диагностического обеспечения по отношению к результатам выполненных исследований.

Принципиально решены многие задачи проектирования диагностического обеспечения. Вместе с тем, продолжают оставаться актуальными, например, проблемы достоверности диагностирования, моделирования объектов диагностирования, ограничения вычислительных ресурсов при оптимизации диагностирования, комплексной автоматизации разработки диагностического обеспечения. Недостатки существующих методик решения этих проблем отрицательно сказываются на показателях диагностирования, трудоёмкости разработки, стоимости диагностического обеспечения электронных приборов.

Цель работы заключается в совершенствовании методики разработки диагностического обеспечения для улучшения показателей диагностирования и сокращения затрат на создание диагностического обеспечения ИИ и УС.

Задачи исследования:

1 Анализ объектов и разработка методики диагностирования составных частей ИИ и УС.

2 Разработка методики моделирования обнаружения и ПМО составных частей ИИ и УС.

3 Разработка методики оптимизации обнаружения и ПМО составных частей ИИ и УС.

4 Разработка программно-методического комплекса проектирования диагностического обеспечения ИИ и УС.

Научную новизну работы составляет развитие методического аппарата автоматизированной разработки диагностического обеспечения ИИ и УС, проявившееся в предлагаемом комплексе методик сочетания методов диагностирования для ПМО с глубиной до функционального устройства, моделирования отказов средствами схемотехнического моделирования Micro-Cap, сочетания методов математического программирования и эвристических алгоритмов оптимизации обнаружения и ПМО аналоговых и цифровых объектов.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методики использованы при создании программно-методического комплекса разработки диагностического обеспечения в системах автоматизированного проектирования, информационно-измерительных диагностических системах, информационно-управляющих системах, составлении технологической документации и алгоритмов диагностирования ИИ и УС, внедрены в учебный процесс подготовки специалистов по приборостроению.

Внедрение предложенных методик позволило снизить трудоёмкость разработки алгоритмов диагностирования изделия У8800С1 примерно на 50% за счёт автоматизации построения диагностических моделей, выбора проверок и очерёдности выполнения проверок. Ограничены требования к квалификации специалистов, выполняющих диагностирование приборов, за счет алгоритмизации ПМО снижены с 6 — 5 разрядов до 5 — 4.

Достоверность выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью полученных результатов математического моделирования, схемотехнического моделирования и результатов экспериментальных исследований разработанных алгоритмов диагностирования.

Реализация и внедрение результатов. Исследования выполнялись на кафедре «Приборостроение» Пензенского государственного университета. Основные теоретические и практические результаты были получены автором в ходе выполнения НИР «Разработка методики автоматизированного диагностирования аналоговых электронных устройств на примере изделия У8800С1».

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке диагностического обеспечения в виде алгоритмов поиска неисправностей при разработке технологической документации на средний и капитальный ремонт изделий У8800С1, У8800С2, У8804С ОАО «НПП «Рубин» «, внедрены в учебные процессы Рязанского высшего военного командного училища связи и Пензенского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество-2003» (г. Пенза, 2003 г.), Научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2004 г.) — VII Международной научно-методической конференции (г. Пенза, 2004 г.) — XII Военно-научной конференции (г. Смоленск, 2005 г.), Надежность и качество-2006″ (г. Пенза, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендуемом ВАК России. Без соавторов опубликовано 3 работы.

Структура и краткое содержание работы. Диссертация содержит четыре раздела и приложения.

В первой главе выполнен анализ объектов и методов диагностирования, структуры технологического процесса восстановления, систематизированы виды отказов, методы контроля работоспособности и ПМО. Выполнена оценка приспособленности к диагностированию составных частей ИИ и УС. Разработана методика контроля работоспособности и ПМО сочетанием методов диагностирования.

Вторая глава посвящена моделям для обнаружения отказов и ПМО. Раскрывается понятие параметров объекта, как физических величин, являющихся основой диагностических методов и моделей. Рассматриваются представление алгоритмов обнаружения и ПМО моделями в форме орграфов и использование орграфов для систематизации видов алгоритмов. Обосновывается выбор двудольного орграфа для формализации задач обнаружения отказов и ПМО аналоговых и цифровых объектов. Предлагается методика разработки диагностической модели, предусматривающая использование системы схемотехнического моделирования Micro-Cap и информационных технологий.

В третьей главе рассматриваются методы оптимизации обнаружения и поиска места отказов. Выбор проверок для обнаружения и ПМО с минимальными затратами приводится к задаче линейного целочисленного программирования, решаемой по алгоритму Баллаша. Предлагаются эвристические алгоритмы выбора проверок, сочетанием которых с алгоритмом Баллаша достигается экономия вычислительных ресурсов. Рассматривается выбор очерёдности выполнения проверок для обнаружения и ПМО с минимальными средними затратами методом ветвей и границ. ПМО рекомендуется начинать с анализа результатов контроля работоспособности по диагностической модели методами теории множеств.

Четвёртая глава содержит алгоритмы, программы и методики моделирования составных частей ИИ и УС, оптимизации обнаружения и ПМО, образующие программно-методический комплекс разработки диагностического обеспечения, который может использоваться автономно или интегрироваться в системы автоматизированного проектирования. Предлагается методика испытаний приборов с имитацией отказов для подтверждения правильности методов, математических моделей, алгоритмов и программ, методики разработки диагностического обеспечения, разработанных алгоритмов диагностирования.

В приложении, А представлен комплекс программ разработки диагностического обеспечения.

В приложении Б представлен пример разработки диагностической обеспечения модели для составной части изделия У8800С1.

На защиту выносятся:

1) методика диагностирования составных частей ИИ и УС с глубиной до функционального устройства, основанная на сочетании методов диагностирования, выбираемых в зависимости от видов объектов диагностирования и отказов;

2) методика моделирования отказов составных частей ИИ и УС, основанная на схемотехническом моделировании программными средствами Micro-Cap.

3) Методика оптимизации обнаружения и ПМО составных частей ИИ и УС, основанная на сочетании метода Баллаша и эвристических алгоритмов для выбора проверок при обнаружении и ПМО с минимальными затратами и на применении метода ветвей и границ при выборе очередности выполнения проверок для обнаружения и ПМО.

4.9 Основные результаты и выводы.

1 Составные части изделия, с глубиной до которых требуется определять место отказа, моделируются двудольными орграфами (4.5). Бинарные отношения между воздействиями и реакциями при формировании орграфов (4.5) устанавливаются при помощи автоматизированной методики, основанной на схемотехническом моделировании составных частей ИИ и УС. Автоматизированное получение диагностических моделей составных частей основано на использовании программ схемотехнического моделирования и последующей автоматизированной обработке результатов моделирования. Особенностью предложенной методики автоматизированной разработки диагностических моделей является сочетание экспертных, математических и экспериментальных методов формирования диагностических моделей объекта диагностирования.

2 Структурная модель изделия в форме связного орграфа (2.7) получается объединением орграфов (4.5) составных частей. Орграф (2.7) в общем случае содержит ориентированные циклы (орциклы), соответствующие контурам обратной связи, и транзитивные замыкания. Объединение моделей составных частей, ранжирование получившегося орграфа и построение в нем транзитивного замыкания производится автоматизировано, что уменьшает затраты времени на разработку диагностической модели прибора.

3 Диагностическая модель (2.2)в явном виде может быть получена по правилам (2.13) — (2.15) из матрицы смежности транзитивного замыкания орграфа диагностической модели (2.7). При этом кратные отказы рассматриваются как комбинации одиночных отказов, явную диагностическую модель для которых можно получать на основе модели для одиночных отказов добавлением новых строк, сопоставляемых кратным отказам. Каждая новая строка получается логическим сложением строк, соответствующих одиночным отказам.

Модели для анализа отказов, обнаруживаемых при проверке функционирования или работоспособности изделия, составляются на основе орграфа (3.17) и таблицы контроля (4.4). Каждая модель, формируемая для одной реакции из табл. 4.4., представляет собой подграф (4.2) орграфа (2.7). Подграф содержит вершины, соответствующие воздействиям и реакциям, влияющим на реакцию, которая контролируется при проверке функционирования или работоспособности изделия. При формировании модели осуществляется определение подграфа орграфа (2.7), являющегося полным прообразом вершины, соответствующей контролируемой реакции, в транзитивном замыкании и исключение вершин из подграфа, соответствующих воздействиям, которые не применяются для обеспечения контроля реакции вместе с инцидентными им дугами.

4 Оптимизационными задачами планирования безразборного диагностирования являются минимизация состава проверок для ПМО, определение минимальной области отказа по результатам контроля функционирования или работоспособности, оптимизация очередности выполнения проверок при разработке алгоритма уточнения места отказа изделия. Алгоритмом ПМО промежуточными проверками устанавливаются состав выполняемых проверок, очередность и правила интерпретации результатов контроля. Критерием оптимизации очередности выполнения проверок обычно принимается минимум средних затрат на ПМО, определяемые по формуле (4.4). Оптимизация очередности выполнения проверок обычно сводится к оптимизации условного алгоритма диагностирования. Методы комбинаторной оптимизации алгоритмов диагностирования основываются на сокращенном переборе вариантов решений или применении функции предпочтения. Получение оптимального алгоритма диагностирования гарантируется только методами сокращенного перебора. Для уменьшения вычислительных ресурсов без ухудшения достоверности результата представляется целесообразным использовать сочетание методов сокращенного перебора, в частности метода ветвей и границ, метода Баллаша и эвристических методов.

5 Программно-методический комплекс разработки диагностического обеспечения ИИ и УС, структура которого отражена на рисунке 4.18, позволяет автоматизировать диагностическое моделирование, анализ структуры, оптимизацию состава проверок, контрольных точек, средств диагностирования, оптимизацию очередности выполнения проверок при разработке алгоритмов диагностирования отказавшего изделия. Результатами работы комплекса является диагностическая модель прибора, минимальное множество проверок, которое может быть использовано как на этапе восстановления, так и на этапе проектирования для выбора и организации доступности контрольных точек и средств диагностирования, и алгоритм диагностирования для обнаружения отказа с минимальными затратами.

6 0- оценка вычислительной сложности предложенных алгоритмов построения оптимальных программ диагностики методом ветвей и границ и нахождения минимального количества проверок методом Баллаша показывает, что сложность алгоритмов имеет порядок и соответственно. Сложность нахождения нижней границы составляет порядка 0(Ы). Выигрыш во времени при использовании метода Баллаша для оптимизации обнаружения отказа составляет 75%. Время выполнения программы построения условного алгоритма диагностирования методом ветвей и границ в 3 — 4 раза меньше времени, затрачиваемого пр полном переборе. Это позволяет рекомендовать использование данных алгоритмов для уменьшения затрат на диагностирование при разработке диагностического обеспечения.

7 Экспериментальная проверка разработанного диагностического обеспечения показала, что применение разработанного алгоритма диагностирования позволяет отнести диагностируемое устройство ко II классу вместо III в соответствии с требуемой средней оперативной продолжительностью восстановления, что подтверждает эффективность и практическую применимость методики разработки диагностического обеспечения ИИ и УС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 Анализ объектов и методов диагностирования позволил систематизировать параметры и сигналы, отказы приборов информационно-управляющих систем, методы контроля работоспособности и ПМО, выявить их достоинства и недостатки, показать, что отсутствуют универсальные методы, пригодные для диагностирования объектов и отказов любых видов и обосновать необходимость сочетания методов диагностирования.

2 Предложена методика ПМО комбинированным методом диагностирования с восстановлением, научная новизна которой состоит в обоснованном принципами системного подхода согласованном сочетании традиционных и перспективных методов и средств диагностирования, выбираемых в зависимости от видов объектов диагностирования и отказов.

3 Предложена методика моделирования отказов, основанная на схемотехническом моделировании программными средствами Micro-Cap, позволяющая уменьшить затраты на разработку диагностических ИИ и УС.

4 Впервые получено условие, приводящее задачу выбора проверок для обнаружения и ПМО с минимальными затратами к задачам ЛЦП, для решения которых выбран метод Баллаша с фильтром, что позволило уменьшить число вычислений до 26% при выборе проверок для обнаружения отказа и до 9% при выборе проверок для ПМО составных частей ИИ и УС по сравнению с полным перебором.

5 Предложено сочетание метода Баллаша с фильтром и ресурсосберегающих эвристических алгоритмов для формирования опорного решения, позволяющее сократить вычислительные ресурсы при разработке алгоритмов обнаружения и ПМО.

6 Получено решение задачи выбора оптимальной очередности выполнения проверок объекта, моделируемого двудольным орграфом, по известной методике ветвей и границ. Ограничение вычислительных ресурсов достигается снижением размерности диагностической модели за счет предварительной оптимизации состава проверок.

7 Найдена оценка вычислительной сложности предложенных алгоритмов оптимизациив результате моделирования показано, что данные алгоритмы целесообразно использовать для уменьшения затрат при разработке ДО.

8 Предложенные методики, алгоритмы и программы ПМО, моделирования отказов приборов, сочетания комбинаторных и эвристических методов оптимизации составляют программно-методический комплекс ИИ и УС для автоматизированной разработки ДО, позволивший сократить затраты на разработку ДО и ограничить требования к квалификации специалистов, выполняющих диагностирование.

9 Предложенная методика диагностирования использована при разработке типового технологического процесса диагностирования приборов ИИ и УС при их изготовлении и восстановлении работоспособности в условиях оперативных ремонтных органов и заводов-изготовителей.

10 Разработанный программно-методический комплекс ИИ и УС предназначается для интегрирования в систему автоматизированного проектирования приборов информационно-измерительных и управляющих систем, предусматривающую разработку ДО, для использования в информационно-измерительных диагностических системах при разработке и отладке их программного обеспечения.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ИИ и УС — Информационно-измерительные и управляющие ПМО — поиск места отказа АРМ — автоматизированное рабочее место ЛВС — локальная вычислительная сеть АПД — аппаратура передачи данных УПС — устройство преобразования сигналов ИЭТ — изделие электронной техники.