автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Принципы построения, основы теории и создание автоматизированных систем для технологических испытаний электронных приборов электромагнитного излучения в видимой части спектра

/ ' <7 <7 ~ & / р МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДИМОЙ ЧАСТИ

СПЕКТРА

Специальность: 05.13.07 — автоматизация технологических процессов и производств

На правах рукописи УДК 681.5.03:771.448.6

ГАГАРИНА ЛАРИСА ГЕННАДЬЕВНА

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук,

; Президиум ВАК

| (решение от " У " ¿Р | присудил ученую степень Д I /

ии Совета Министров СССР, ! профессор Н.Д. Дубовой

Р о \

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ, ТРЕБОВАНИЯ К ОБЪЕКТУ ИСПЫТАНИЙ И ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К СОЗДАНИЮ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ (АСТИ)....................................................................18

1.1 Технологические испытания как составляющая системы управления качеством продукции................................................................................................18

1.2.Основные задачи технологических испытаний (ТИ) фотоэлектронных приборов (ФЭП).....................................................................................................24

1.3. Объект ТИ и его технические характеристики..............................................26

1.4. Принципы системного подхода к созданию АСТИ ФЭП.............................29

1.5. Основные характеристики АСТИ ФЭП.........................................................31

1.6. Определение класса ФЭП, подлежащих технологическим испытаниям.....42

1.7.Выбор количественных показателей качества функционирования АСТИ ФЭП........................................................................................................................46

1.8. Постановка задачи диссертации....................................................................50

Выводы...................................................................................................................52

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРУКТУРЕ АСТИ ФЭП НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО КРИТЕРИЯ

ОЦЕНКИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.............................................54

2.1. Оценка проектируемой системы с помощью комплексного критерия в условиях неопределенности..................................................................................54

2.1.1. Структуризация предметной области.........................................................54

2.1.2. Анализ факторов, определяющих выбор стратегии создания АСТИ.......55

2.1.3. Формализация представлений о ситуации принятия решений в виде комплексного критерия оценивания альтернатив................................................57

2.2. Моделирование процесса функционирования АСТИ ФЭП........................66

2.2.1 Выбор и обоснование средств моделирования...........................................67

2.3. Содержательное и концептуальное описание модели..................................68

2.4. Выбор показателей качества и целевой функции моделирования. Параметры и переменные модели................................................................................73

2.5. Верификация имитационной модели.............................................................84

Выводы...................................................................................................................88

ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЙРОПОДОБНЫХ СРЕДСТВ.......................................................................................................................90

3.1. Предварительные замечания.........................................................................90

3.2. Методы и средства реализации АСТИ ФЭП в качестве нейроподобной диагностической системы......................................................................................92

3.2.1. Модель формального нейрона.....................................................................92

3.2.2. Алгоритм распознавания образов на основе нейросетей с бинарными матрицами памяти.................................................................................................93

3.2.3. Модифицированный прямой метод определения точности контроля применительно к нейроподобным структурам..................................................100

3.3.Моделирование работы АСТИ ФЭП с применением нейросопроцессора. 105

3.4. Исследование производительности нейроподобной АСТИ ФЭП..............114

Выводы................................................................................................................118

ГЛАВА 4. АРХИТЕКТУРНО - АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АСТИ ФЭП..............................................................119

4.1. Классификационные признаки АСТИ ФЭП и технические требования к ее аппаратной реализации..................................................................................119

4.2. Динамическое управление надежностью системы путем выявления предвестников отказов...............................................................................................122

4.3. Принципы построения структурно-функциональных элементов (СФЭ) АСТИФЭП............................................................................................................128

4.3.1. Состав и технические характеристики автоматизированной подсистемы управления процессом ТИ и испытательного оборудования (ИСО)...............129

4.3.2. Техническая реализация стендов ТИ как интеллектуальных СФЭ системы.................................................................................................................131

4.3.3. Формирование информации о процессе ТИ............................................136

4.3.4. Принцип унификации и его применение при реализации АСТИ ФЭП. 140

Выводы................................................................................................................142

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСТИ ФЭП..............146

5.1. Исследование структурной организации вычислительной системы (ВС) АСТИ ФЭП.........................................................................................................146

5.2. Оптимизация алгоритмов моделирования ВС АСТИ ФЭП........................149

5.2.1. Метод генерации перестановок по заданному номеру............................150

5.2.2. Метод «цифра за цифрой».........................................................................151

5.3. Операционная система АСТИ ФЭП.............................................................156

5.3.1. Системное программное обеспечение......................................................156

5.3.2. Прикладное программное обеспечение и оптимизация функциональных алгоритмов....................................................................................................159

5.4. Формализация вычислительной задачи проверки проводимости печатного

монтажа на основе анализа контактных схем...................................................162

Выводы................................................................................................................166

ГЛАВА 6. ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АСТИ ФЭП........................168

6.1. Качественная оценка эффективности ТИ на основе математической модели редеющего потока отказов.........................................................................168

6.2. Оптимальное обнаружение и поиск отказов в АСТИ ФЭП........................175

6.3. Контроль работоспособности и диагностирования автоматизированной подсистемы управления процессом ТИ с одиночным отказом........................177

6.3.1. Алгоритм поиска неисправного элемента при произвольных пересекающихся тестах..................................................................................................179

6.3.2. Перестановочный прием минимизации затрат на поиск отказавшего элемента................................................................................................................186

6.4. Техническое обслуживание АСТИ ФЭП....................................................188

6.4.1. Выбор стратегии........................................................................................188

6.4.2. Эксплуатация АСТИ ФЭП при полной информации..............................189

6.4.3. Расчет оптимальных сроков проведения плановых восстановительных работ при полной информации...........................................................................191

6.4.4. Обеспечение системы запасными элементами........................................191

6.4.5. Планирование и расчет числа запасных изделий....................................193

6.4.6. Расчет запасных изделий для невосстанавливаемых элементов автоматизированной подсистемы управления процессом ТИ..........................................194

Выводы.................................................................................................................196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................197

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................200

ПРИЛОЖЕНИЯ (брошюруются отдельно)........................................................221

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Повышение уровня комплексной автоматизации при производстве электронных приборов (ЭП) на базе микроэлектронной технологии с увеличившейся с 80-х годов на порядок степенью компонентной интеграции, привели к необходимости обработки огромных массивов информации.

Технологический процесс производства ЭП содержит как традиционные операции свойствообразования — механической, химической, термической и других технологий, так и операции идентификации образованных при этом свойств — измерения, контроля и технической диагностики [77], причем объем этих операций еще в конце 80-х годов составлял уже 20 - 40% общей трудоемкости изготовления изделия.

Более того, производство каждой отдельно взятой группы ЭП имеет свою специфику. Так, для ЭП электромагнитного излучения в видимой части спектра (далее для удобства будем называть их фотоэлектронными приборами (ФЭП), что в сущности одно и то же) важнейшей составляющей производства являются технологические испытания (ТИ), проведение которых наиболее целесообразно с помощью автоматизированных комплексов или систем (АСТИ), что дает по сравнению с традиционными методами выигрыш во времени минимум в 2-3, а в отдельных случаях и в десятки раз.

Разнообразие номенклатуры, параметров и функций ФЭП, дополнительные затраты из-за усложнения и миниатюризации приборов также обуславливают необходимость и своевременность автоматизации ТИ. До настоящего времени в отрасли практически отсутствовало специальное оборудование для проведения автоматизированных ТИ. Существующая же аппаратура в условиях серийного производства ФЭП обладает недостаточными технико-экономическими показателями, что обусловлено следующими причинами:

• большой трудоемкостью процесса определения места возникновения дефекта;

• возможностью возникновения вторичных дефектов из-за подачи на неисправный ФЭП рабочего напряжения;

• существованием длительного периода приработки ФЭП.

Таким образом, отсутствие серийно выпускаемого оборудования для ТИ ФЭП и современные возможности агрегатирования устройств вычислительной, измерительной техники и специализированных аппаратных и программных средств предопределяют необходимость появления высокоэффективных испытательных комплексов.

При этом весьма актуальной становится задача создания интеллектуальных нейроподобных технико-диагностических систем, поскольку только с их помощью можно принимать решения в неопределенной и многокритериальной обстановке, формировать логические выводы и объяснять причину принятия решений, а также выполнять работу в условиях ограниченных временных ресурсов.

Искусственными нейросистемами в мире сегодня занимается всего около 300 компаний, а действующие образцы производят не более 20. Около 50% рынков составляют военные заказы на системы распознавания, идентификации, автоматического картографирования и т.д. Однако в последние годы все ощутимее становится крен в сторону развития гражданских приложений и несмотря на то, что стоят нейрокомпьютерные системы от нескольких десятков тысяч до миллионов долларов, уже просматриваются два мощных сегмента массового спроса, способные сбить цены. Первый — это Интернет, а второй связан с так называемой «интеллектуализацией среды» в любой области человеческой деятельности.

В России исследованиями и нейросистемными приложениями занимается около 20 небольших групп (до 25 человек). Наиболее плодотворно работают московские фирмы «Инструментальные системы» и ТРИНИТИ, группа в ФИАНе, а также лаборатории в Арзамасе, Красноярске, Ростове-на-Дону и Новосибирске, но только одна компания — НТЦ «Модуль» при корпорации «Вымпел» выполняет весь комплекс работ: от исследований до программно-аппаратных реализаций. Согласно прогнозу российских экспертов к 2010г. отечественные компьютерные и информационные технологии могут достигнуть уровня продаж на мировом рынке в 4.6 млрд. долл. — все зависит лишь от признания приоритета нейротехнологий в нашей стране.

Согласно требованиям, предъявляемым к современным интеллектуальным средствам, они должны обеспечивать реализацию разнотипных алгоритмов в единой вычислительной среде, а также обрабатывать информацию, представленную как в дискретной, так и в непрерывной форме.

Результаты исследований, направленных на создание систем автоматического контроля и гибридных вычислительных средств, изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: Амосова Н.В., Банникова Ю.А., Бон-даревского A.C., Гитиса Э. И., Данилина Н.С., Дубового Н.Д., Корна Г., Коробова А.И., Преснухина JI.H.,, Смолова В.Б., Сретенского В.Н., Шимбирева П.Н., Шмидта Н. и др.

Однако реализация АСТИ ФЭП на основе гибридных вычислительных средств с интеллектуальной обработкой информации безусловно требует применения новых подходов.

Решению вышеозначенной проблемы и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы заключается в теоретическом обобщении и развитии методов и алгоритмов построения, а также архитектуры эффективных АСТИ ФЭП, в разработке технических решений ее аппаратной реализации, а также созда-

ние отечественных серийно пригодных автоматизированных комплексов для технологических испытаний общего и специального назначения, обладающих универсальностью и способностью агрегатирования их в интегрированные нейросетевые испытательные системы.

Естественно, что фундаментом научного подхода к оценке параметров ФЭП является современная теория отклонений и ошибок при допусковом контроле, наиболее полно представленная в работах проф. Бондаревского А.С., а также реальные представления о физике отказов, развиваемые в 22 ЦНИИ МО. На основе изложенных автором принципов системного подхода к проектированию АСТИ, общей теории проверок статистических гипотез, количественных показателей качества функционирования систем ставятся задачи создания основ теории и аппаратная реализация АСТИ ФЭП.

Математический аппарат и методы проектирования систем технической диагностики нового типа должны предусмотреть выполнение алгоритмов обработки разнородной информации в вычислительной среде, использующей стандартную элементную базу цифровой и аналого-цифровой вычислительной техники.

Автоматизированные системы технологических испытаний ФЭП должны обеспечивать:

• достоверность, заданные объем и производительность испытаний;

• возможность работы с дискретными и непрерывными переменными;

• осуществление логической обработки образной информации.

Ниже приведены конкретные задачи (в приложении к конкретным объектам), которые следует решить для достижения поставленной цели. Объекты и задачи работы: 1. Структура АСТИ ФЭП. Основные задачи:

• исследование особенностей технологических испытаний ФЭП и требований к процессу;

• исследование и разработка общих принципов построения АСТИ;

• исследование моделей альтернативных реализаций АСТИ и разработка структурно - функциональных элементов системы;

2. Объекты технологических испытаний. Основные задачи:

• исследование параметров и характеристик подлежащих технологическим испытаниям ФЭП;

• моделирование процесса ТИ и разработка методического, математического и программного обеспечения для различных типов ФЭП на этой основе.

3. Образцы АСТИ. Основные задачи:

• разработка системотехнических принципов реализации и схемотехнических решений отдельных элементов АСТИ;

• разработка системного, функционального и тестового обеспечения АСТИ;

• реализация унифицированного ряда высокопроизводительных стендов ТИ общего и специального назначения.

Методы исследования. Решение основных задач диссертационной работы основано на использовании методов системотехники, математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, проверки статистических гипотез, массового обслуживания, электрических цепей, дифференциального и интегрального исчисления. Кроме того в работе использован математический аппарат булевой алгебры и теории нечетких множеств.

Проверка эффективности исследуемых в работе предложений проводилась на математико-аналитических и программных моделях и во время натурных испытаний промышленной системы СКФ-1 (ЮЩ 2.702.007). Научная новизна. В работе осуществлено решение научной проблемы создания основ теории построения автоматизированных систем технологических испытаний фотоэлектронных приборов, а также изложены результаты научных исследований и предложений по созданию перспективных высокоэффективных АСТИ ФЭП с применением нейрокомпьютеризованных производственных участков, внедрение которых внесет значительный вклад в создание интеллектуальных систем для различных отраслей народного хозяйства.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

— основы теории построения гибридных вычислительных средств и их элементной базы с помощью математического аппарата комплексного критерия в условиях неопределенности;

— способ повышения эффективности ТИ ФЭП с помощью модифицированного прямого ме�