автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оптимизация объема измеряемой информации для диагностики аналого-цифровой радиоэлектронной аппаратуры

На правах рукописи

МАЗНИЧЕНКО Владимир Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЪЕМА ИЗМЕРЯЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ

АППАРАТУРЫ.

Специальность 05.13.01 -"Системный анализ, управление и обработка информации"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2004 г.

Диссертация выполнена на кафедре «Управление и информационно-техническое обеспечение деятельности органов внутренних дел» Нижегородской академии министерства внутренних дел Российской Федерации.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Наумов Михаил Борисович.

Официальные оппоненты:

-доктор технических наук, профессор Ломакина Любовь Сергеевна -кандидат технических наук, доцент Баклашов Сергей Александрович

Ведущая организация - Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники.

Защита состоится 2004г в ^^ часов на заседании

диссертационного совета Д212.165.05 при Нижегородском государственном техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан ¿¿¿¿2-Я 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

А.П. Иванов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современный этап развития общества характеризуется широким использованием различного рода технических систем, усложнением задач, решаемых с их помощью, а так же все возрастающим влиянием уровня эффективности указанных систем на экономический потенциал, что выдвигает на первый план проблемы совершенствования электронного оборудования и повышение его эксплуатационных надежностных характеристик.

Сложность объектов, при прочих равных условиях, снижает надежность, качество и эффективность их функционирования так, что их следует компенсировать не только повышением надежности отдельных элементов, но и рациональным техническим обслуживанием оборудования, применением методов, алгоритмов и средств технической диагностики.

Потенциально высокая надежность средств микроэлектроники и сооружений на их основе реализована не полностью как в отечественной, так и в зарубежной практике. Это существешю снижает эффективность применения интегральных схем, уменьшает выигрыш в удельных физических характеристиках оборудования (масса, объем, энергопотребление) при сопоставимой функциональной сложности и приводит к его значительному усложнению и удорожанию. В связи с этим ведется интенсивный поиск методов и средств повышения надежности интегральных схем и электронного оборудования на их основе.

Работы ведутся в направлении оптимизации и усовершенствования методов и средств контроля.

Одной из актуальных задач повышения надежности электронного оборудования является задача создания эффективных методов и средств определения технического состояния и локализации дефектов однотипных восстанавливаемых систем в ремонтных органах при проведении диагностики аналогово-цифровых устройств.

Вопросам диагностики цифровых устройств ФЗД н№Й№№ВДвНу£й){1ЬШОС

БИБЛИОТЕКА { 3 С.Птр*»г ц.Л

дгар/лц-

количество работ Н. П. Байды, Ю.С. Бажанова, В.И. Сагунова, Е.С. Согомоняна, П. П. Пархоменко, В. Е. Абрамчука, Р. Дж. Беннетгса, Р. Н. Белоконь и других российских и зарубежных ученых. В достаточной мере уделяется внимание и аналоговым (непрерывным) устройствам С. Е., Фалькович, Л. А. Мироновский, А. В. Мозгалевский, Шунов Ю. Н., Дятлов В. А., Евланов Л. Г., Кулик А. С, Финькельштейн Е. Я., Люльков Е.В и др.). Однако, известные в настоящее время методы и алгоритмы определения технического состояния, носят, как правило, частный характер, т.е. разрабатываются для каждого класса систем.

В недостаточной степени предложены и изучены универсальные методы и средства диагностирования аналоговой и цифровой РЭА, имеющие единую теорию и радиоизмерителыгую аппаратуру. Кроме этого, на пути реализации известных алгоритмов возникают сложности, связанные с большим объемом производимых измерений.

Таким образом, проблема разработки методов и алгоритмов определения технического состояния однотипных систем в условиях ремонтных органов, позволяющих уменьшить объемы измеряемой информации, является весьма актуальной.

В отличие от известных методов контроля технического состояния в диссертационной работе обосновывается целесообразность информационного подхода для решения данной проблемы, в основу которого положена информационная теория диагностики.

Цель работы.

Разработка методов и алгоритмов поэтапной процедуры диагностирования аналогово-цифровых модулей радиоэлектронной аппаратуры, позволяющих оптимизировать такие диагностические затраты, как время обработки объектов диагностирования и объем измеряемой информации.

Задачи работы

Достижение намеченной цели требует решения следующих задач:

• разработка информационной диагностической модели аналоговых и цифровых электронных систем

• разработка методики расчета оптимального объема измеряемой диагностической информации;

• статистическая оценка законов распределения энтропии неисправности аналогово-цифровых устройств путем физического моделирования разрушающего воздействия неисправности на примере операционного усилителя и TTL вентиля, как одних из основных элементов радиоэлектронной аппаратуры.

• разработка иерархического метода диагностики класса аналоговых и цифровых электронных систем

• количественная оценка эффективности предложенного метода с учетом уменьшения объема измеряемой информации.

Методы исследования Для теоретических исследований применялись метод теории информации, теории вероятностей, теории надежности и технической диагностики. При построении математических моделей использовались статистическое

моделирование и спектральный анализ в различных ортонометрированных базисах.

Объекты исследования

В практическом плане объектами исследования являются сложные технические системы, относящиеся к классу объектов непрерывного и дискретного действия.

Научная новизна работы.

Разработаны методы и алгоритмы сокращения объема измеряемой информации при диагностике технического состояния аналогово-цифровых модулей. Новым в предлагаемых методах является:

1. Методика оценки законов распределения энтропии неисправности аналоговых и цифровых устройств на основе физического моделирования и статистической оценки разрушающего воздействия неисправности операционного усилителя и логического Т^ вентиля.

2. Методика расчета оптимального объема измеряемой диагностической

5

информации типовых элементов замены РЭЛ для аналоговых и цифровых цепей.

3. Иерархический метод диагностики аналоговых и цифровых типовых элементов замены, разработанный на основе результатов физико-статистического моделирования функционирования аналоговых и цифровых схем.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечена доказательствами сформулированных в работе положений и представленными результатами статистического моделирования.

Практическая ценность работы

Разработанные в диссертационной работе методы и алгоритмы сокращения объема измеряемой информации позволяют сократить диагностические затраты при поточной диагностике технического состояния объектов непрерывного и дискретною действия.

Реализация результатов работы.

Разработанные в диссертационной работе методы и алгоритмы сокращения объема измеряемой информации по информационному критерию реализованы в разработках диагностического оборудования Нижегородского научно-исследовательского института радиотехники. Получено два акта реализации и внедрения.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы нашли применение при выполнении проводимых НА МВД РФ в интересах Нижегородского научно-исследовательского института радиотехники, Г.Н.Новгород научно-исследовательской работы: "Альтернагива" и "Динамический контроль аппаратуры информационных систем как средство повышения их контролепригодности".

Основные положения работы докладывались на Всероссийской конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике", (Нижний Новгород,

2002г.); Шестой Нижегородской сессии молодых ученых; на заседаниях научно-технических советов ННИИРТ, ННИПИ и НПП "Полет".

Публикации.

По основным материалам диссертации опубликовано 11 научных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 147 страниц. Список литературы содержит 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы диссертации, показана новизна и практическая ценность диссертационной работы. Аннотировано по главам излагается содержание диссертации.

В первой главе, проводится сравнительный анализ известных методов и средств диагностирования. Оценены факторы, оказывающие влияние на ремонтопригодность радиоэлектронных средств, определены цели и задачи диагностики и диагностические параметры радиоэлектронных устройств.

Проанализированы этапы диагностирования радиоэлектронных устройств и стоимостные затраты данных этапов с учетом стоимости диагностического оборудования и квалификации обслуживающего персонала, выявлены недостатки существующих методов и средств диагностирования, определена роль и место проведенного исследования в общей теории технической диагностики. Здесь же на основе обзора известных работ приводится обоснование необходимости разработки новых универсальных методов и алгоритмов сокращения объема измеряемой информации

Во второй главе, предлагается математическая модель информационного метода диагностики на основе положений теории информации и теории

электрорадиоцепей. Основным принципом работы явился отказ от необходимости получения 100% информации о сигнале и синтез универсального устройства диагностирования для цифровых и аналоговых цепей на основе частично получаемой информации.

Введены такие базовые количественные показатели эффективности диагностирования, как энтропия неисправности и коэффициент потерь информации. В понятие энтропии неисправности вложен свой смысл, как меры неопределенности на основе меры введенной А.Н.Колмогоровым. Физический смысл величины - это отношение наблюдаемых гармоник ко всем гармоникам. Для неисправностей это, по сути, искажение ("урезание" или расширение) спектра сигнала.

Оценена энтропия минимального интервала наблюдения, рассмотрен вопрос возможности тестирования ТЭЗов радиоэлектронной аппаратуры, выбран критерий оценки эффективности диагностирования, применительно к ТЭЗам РЭА; получено соотношение для количественной оценки наблюдаемой информации в ортонормированном базисе и ее связь с энергией сигнала; представлена функциональная схема универсального адаптивного диагностического стенда, позволяющего вести автоматизированный поиск неисправностей в условиях малых априорных данных.

Повысить эффективность информационного метода представляется возможным путем оптимизации объема измеряемой диагностической информации. На рис.1 представлена обобщенная схема информационного диагностического стенда предлагаемого метода.

На вход формирователя входных сигналов (спектросинтезатора) поступает из ЭВМ математическое выражение истинного значения входного воздействия хист(0 разложенное в ортоиормированном базисе. Сформированный сигнал Xоп(t) подается на вход ОД. При его формировании часть информации относительно хиста) неизбежно теряется. Коэффициент потери информации определяется отношением разности истинного и опытного значений сигнала к истинному:

(2)

Рис.1. Схема информационного диагностического стенда.

Непределенность изначально введена как детерминированная величина, определенная на интервале [0,1], что аналогично определению нечеткого ограничения на базовую переменную, т.е. функции совместимости лингвинистической переменной.

В третьей главе, на основе информационного метода диагностики, разработана методика оценки объема измеряемой информации, позволяющая снизить затраты на проведение диагностических работ. Произведена статистическая оценка типов неисправностей, возникающих в аналоговых и цифровых цепях радиоэлектронной аппаратуры, получены законы распределения

9

энтропии неисправности, произведена количественная оценка эффективности предложенного информационного метода технической диагностики с учетом уменьшения объема измеряемой информации.

В общем случае процесс диагностирования можно представить как систему, в которой взаимодействуют формирователь, формирующий рабочее или тестовое воздействие, исследуемый объект, и измеритель. На всю систему оказывают влияние алгоритм измерения, априорный опыт обслуживающего персонала, и время, в течение которого происходит акт диагностирования.

В соответствии с введенным критерием наблюдаемости неисправности, функционал от энтропии априорной информации энтропии формирователя энтропии измерителя и энтропии алгоритма обработки должен быть больше энтропии неисправности на величину энтропии минимального интервала наблюдения

£(Напр, Нформ, Низм, Налг) > Нн + ДЦ (3)

Вид функционала, описывающего взаимодействие перечисленных составляющих, определим по методу "усреднения по наименьшему". Подобный вид усреднения хорошо согласуется по граничным условиям. Кроме того, учитывается вклад каждой составляющей функционала по отношению к наименьшему. Вид функционала для двух переменных будет иметь вид:

(4)

Выражение критерия наблюдаемости неисправности для четырех переменных примет вид:

формНи-и,Наяг

Ы М М + И" Н Н 4- м м н + и // н

апр изм алг форм изм алг апр форм алг апр форм изм

К+АЯ

(5)

В данном соотношении оценки величин могут

быть получены аналитическими методами и описаны соответствующими математическими выражениями

Рис 2. Структурная схема взаимодействия составляющих акта диагностирования.

Величины Нформ, Низм, Н^, как правило, являются детерминированными и могут определяться заранее для конкретного акта диагностирования. С достаточной вероятностью, возможно описать энтропию минимального интервала наблюдения, энтропию формирователя входных воздействий и измерительного устройства.

Энтропия алгоритма обработки информации в информационном методе диагностики является величиной постоянной и численно равна

Величина зависит от квалификации обслуживающего персонала, его опыта, наличия технической документации и прочее. Кроме того отмечается зависимость величины

Величина энтропии неисправности в свою очередь может быть оценена статистическими методами. В литературе не встречается статистических данных по характеру поведения энтропии неисправности и, так же, нет данных, описывающих данную величину каким-либо законом распределения.

Проведенный анализ аналоговых и цифровых цепей показал, что их возможно представить в виде структуры, состоящей из отдельных базовых элементов, таких, например, как TTL-венгиль и операционный усилитель. Выбор вентиля обусловлен тем, что он может представлять любую булеву операцию И,

ИЛИ, НЕ и, таким образом, самостоятельно образовывать базис, в котором реализуется любая логическая функция, а выбор операционного усилителя тем, что функциональная схема большинства их представителей отражает функциональное построение схем аналоговых цепей. Исходя из этого, сформулирована гипотеза о том, что характер проявления разрушающих свойств неисправности на полезном сигнале для УХЪ-вентиля и операционного усилителя аналогичен в иных схемных решениях аналоговых и цифровых цепей.

Для исследования влияния составных элементов операционного усилителя и УХЪ-веитиля на энтропию неисправности было произведено физическое моделирование данных устройств, выполненных на дискретных элементах.

В результате моделирования была получена таблица измеряемых параметров и видов осциллограмм выходного сигнала. Для определения данных о распределении энтропии неисправности, была произведена статистическая обработка полученных результатов.

Для оценки влияния различных неисправностей на распределение энтропии неисправности был произведен статистический анализ полученных результатов по методу Монте-Карло.

Полученные результаты представлены в виде графиков, представляющих собой гистограмму распределения энтропии неисправности (рис. 3,4).

Анализ гистограммы совместного распределения энтропии неисправности Нн10(х) TTL-вентиля по результатам физического и статистического моделирования показывает, что разрушающее влияние неисправности на полезный сигнал распределено, преимущественно, в двух областях, причем неисправности, оказывающее высокое разрушающее воздействие, составляют около 76,2%.

Иначе проявляется разрушающее влияние неисправности в аналоговых системах. Анализ приведенной па рис.4. гистограммы показывает, что основное количество неисправностей в ОУ приводит к фатальным изменениям выходного сигнала, таким как пропадание сигнала, значительное изменение уровня постоянной составляющей на выходе ОУ и т.п..

Общая процентная составляющая таких неисправностей составляет 77,7%. Около 7,9% неисправностей очень слабо сказываются на работе ОУ (в определенном температурном диапазоне). Как правило, эти неисправности связаны с обрывами в элементах обеспечивающих резервирование каскадов. Некоторые неисправности оказывают незначительные влияния на выходной сигнал ОУ, которые проявляются в незначительном изменении постоянной составляющей сигнала - 3,7%. Таким образом, общая процентная составляющая неисправностей не сказывающаяся (или незначительно сказывающаяся) на работе аналоговых схем составляет порядка 11,6%.

Часть неисправностей, по сути, тоже являются критическими: -значительное изменение постоянной составляющей с сохранением формы сигнала - 7.1%, и самовозбуждение ОУ - 3,6%.

Таким образом, из анализа гистограммы распределения энтропии неисправности ОУ, следует, что подавляющее большинство неисправностей -(около 88%) носят критический характер.

Выдвинута гипотеза, что гистограмма распределения энтропии неисправности принимает вид распределения состоящего из суммы экспоненциального в области нулевых значений (0-0.04) и двух нормальных, с математическими ожиданиями m=0,07 и m=0,17 соответственно.

С целью определения закона распределения случайной величины, проведена статистическая проверка выдвинутой гипотезы о соответствии второго и третьего всплеска нормальному распределению. В качестве критерия соответствия примем наиболее употребительный критерий (К. Пирсона).

На рис.5 показаны сравнительные графики экспериментально полученных значений энтропии неисправности для второго всплеска с идеальной кривой нормально распределенной случайной величины с одинаковыми параметрами математического ожидания и среднеквадратического отклонения.

Полученное из опыта расчетное значение для второго всплеска лежит в области допустимых значений, что дает основание считать выдвинутую гипотезу верной, при заданном уровне значимости.

Рис. 5. Сравнение гистограммы распределения экспериментально полученных значений энтропии неисправности второго всплеска с идеальной кривой распределения случайной величины.

На основании проведенных расчетов предлагается методика расчета оптимального объема измеряемой информации для аналоговых цепей. Расчетные значения математических ожиданий Нн для первого, второго и третьего всплеска подставим в формулу (5) по правилу "3-х сигм" (Шни+Зо). При этом рассмотрим различные варианты комбинации параметров Напр, Нф, Н,„ Н^ и ДН. В результате получены графики, описывающее зависимость энтропии измерителя Нюм от функционала акта диагностирования.

«№.0.029) *(Ш,0.102) «Ш.0.216)

ВЦ) _0з

\ _ _

1 1 1 1 1 ! 1

< 1 1

""" 1

Рис. 6. График зависимости энтропии измерителя Н^ от функционала при высоких значениях параметров неопределенности Н^р, Нф, Н„, Наш-, и АН.

15

Из графика следует, что в случае низких значений

напэнкропий

и ДН, в ряде случаев, (при диагностировании по третьему всплеску) диагностирование вообще не возможно, а диагностирование по второму всплеску возможно при Низм больше 0,5. Лучше возможности диагностирования представляются, если значения Н^р, Нф, Нн, Наш- и ДН примерно соответствуют величине 0,5.(Рис. 7.)

кт.о 029) Г(Н>,0 Ю2) ГСН1.0 316) 1С ге.олз)

1 1 -----------

I_____ 1 \ 1

'•V / _ _ —

г

Рис. 7. График зависимосги энтронии измерителя Нгам от функционала при средних значениях параметров неопределенности Н^, Нф, Нн, Н^г, и ДН.

/(М.О 030) Г (И, О 10Э) 310)

. — — ~ - — '

// /У

/ / У г' "

✓ ✓

Рис. 8. График зависимости энтропии измерителя Низм от функционала при низких значениях параметров неопределенности Напр) Нф, Нн, Ныг> и ДН.

В данном случае по третьему всплеску возможно диагностирование с Ннзм больше 0,15 но второму 0.077, и по первому 0,044 соответственно. И, по прежнему, невозможно диагностирование по четвертому всплеску. Лишь при достаточно высокой степени определенности параметров

возможно диагностирование узлов, в которых дефекты вызваны неисправностями с низкими разрушающими свойствами.

Как видно из графика, диагностирование по неисправностям данной группы возможно при величине энтропии измерителя большей 0,8.

Произведена уточненная оценка стоимостного выигрыша В для двухэтапной процедуры диагностирования аналоговой РЭА с учетом полученных статистических данных (Рис. 9).

V

\ Ч —1 [х <

— __

\ 1

—

— —

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис. 9. Графики зависимости стоимостного диагностического выигрыша В от коэффициента снижения диагностических затрат для технологической постоянной Т.

Из приведенной зависимости видно, что практически уточненная величина стоимостного выигрыша меньше теоретической на 0,7. При полученном количественном выражении объема измеряемой информации можно судить о повышении эффективности данного метода диагностирования по выше

приведенному критерию, с учетом упрощения диагностического оборудования и сокращения времени, затрачиваемого на восстановление ОД. Чем меньше величина измеряемой информации, тем больше эффективность предлагаемого метода.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены результаты измерений и программные продукты, используемые для их обработки.

Основные результаты работы:

1. На основе системного анализа разработана обобщенная математическая информационная диагностическая модель аналоговых и цифровых электронных систем, позволяющая адекватно представлять и осуществлять синтез диагностических систем.

2. Методом физического моделирования и статистической оценки данных получены законы распределения энтропии неисправностей операционного усилителя и УХЪ-вентиля, которые являются основой элементной базы типовых элементов замены РЭА.

4. Разработана методика расчета оптимального объема измеряемой диагностической информации типовых элементов замены радиотехнических комплексов, позволяющая повысить эффективность ремонта радиоаппаратуры.

5. Предложен алгоритм иерархической процедуры диагностирования. Вышеуказанный процесс диагностирования по двухэтапной процедуре на технологическом потоке дает существенное сокращение затрат на диагностическое оборудование.

Список основных публикаций автора по теме диссертационного исследования:

1. Мазниченко В.В., Наумов М.Б. "О некоторых приемах упрощенного

аналогово-цифрового преобразования в технической диагностике" (Тезисы

доклада), Сб. трудов №10 н.т.к. "Проблемы радиосвязи" Н.Новгород

октябрь 1999 год, с.200

2. Мазниченко В.В., Наумов М.Б "О некоторых результатах физического и

статистического моделирования меры неопределенности неисправности аналогово-цифровой РЭА" // Вестник Межрегионального ВерхнеВолжского отделения АТН РФ. Серия "Высокие технологии в радиоэлектронике информатике и связи", вып. 7,2001. -с.77-79.

3. Мазниченко В.В. "О возможности использования преобразования Фурье в базисе функций Уолша в информационном методе диагностики", Шестая Нижегородская сессия молодых ученых. Н.Новгород, 2001г. - с.64-65.

4. Мазниченко В.В. "О мерах неопределенности эталонных величин при поиске неисправностей в технических объектах" Сборник н.т.м.к "Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления" 3-5 апреля 2002 года Г.Н.Новгород. - с.56.

5. Мазниченко В.В., Наумов М.Б "О возможности повышения эффективности и диагностирования РЭА за счет оптимизации объема измеряемой информации". (Тезисы доклада) Сборник н.т.м.к "Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления" 3-5 апреля 2002 года г.Н.Новгород.-с.57-58

6. Мазниченко В.В., Наумов М.Б Отчет о НИР "Альтернагива". "Исследование возможностей по оптимизации средств и методов диагностики аналого-цифровой аппаратуры".

7. Мазниченко В.В., Лабутин Н.Г., Баранов А.А. Динамический контроль аппаратуры информационных систем как средство повышения их контролепригодности. Отчет по НИР, г. Н. Новгород, ФГУП ННИИРТ, 2002 г.

Отпечатано в отделении оперативной полиграфии Нижегородской

академии МВД РФ. Заказ Я Л. 8 Тираж 4О О

»10300