автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка моделей и методов обеспечения надежности систем и устройств передачи информации

I - П С Г И ГЧ Г К А Я Л »•- А л Г И И Я НА» к" ИНСТИТУТ П Г О Ь л Е М КИБЕРНЕТИКИ

Р Г Б ОД - 8 МАЙ 1995

на правах рукописи

УДК 681.5 : 519.7

Н Г У Е Н А Й ФУ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

05.12.02 - СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ.

АВТОРФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

МОСКВА

1994 г.

|.н.!'1.\ ичпп.онг.нл и ипг;(1-п>1г шпьж м кии'-ш им

ГПГ'ГМиСКПЛ ЛКАПГМИИ НАУК. МЛ>ММИГ р\'КОГ<ОДИТГЛИ :

ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК. ЛАУРЕАТ ГОСУДАРСТВЕИНОЙ ПГГМИИ СССР. ПРОФЕССОР СЕВЕРНЕЙ И.О.

КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК НГУЕН КУАНГ ТХЫОНГ. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ :

ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, ПРОФЕССОР ПРОСТАКОВА И.Б. КАНДИДАТ ФИЗИКО - МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК СНС МУХИН А. В.

1ЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ г

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИМ. П.Н. ЛЕБЕДЕВА

ЗАЩИТА СОСТОИТСЯ " " _____________ 1995 г. В_____ЧАСОВ

НА ЗАСЕДАНИИ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА МОСКОВСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ПО АДРЕСУ : 125838, МОСКВА, КРОНШТАДСКИЙ БУЛЬВАР 20.

С ДИССЕРТАЦИЕЙ МОЖНО ОЗНАКОМИТЬСЯ В БИБЛИОТЕКЕ УНИВЕРСИТЕТА АВТОРЕФЕРАТ РАЗОСЛАН " "________________ 1995 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СОВЕТА КТН М.М. ШЕМОХАНОВ

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

("ктуапьность гены: Вахнейшей задачей овеспемения выполнения народно::озянст8енных и специальных задан является повышение надехности и устойчивой работы техники и аппаратуры, в частности раоиосвязной. Особенно при воздействии внешних дестабилизирующих Факторов (ВДФ).

Отсюда возникает необходимость в разработке методов математического моделирования, программного обеспечения, алгоритмизации, .учитывающих условия Функционирования техники. Как известно, информационная радиосвязная аппаратура комплектуется большим количеством разнородной номенклатуры электрорадиоэле-ментоа (ЭРЭ), требующих исследования в системном аспекте.Решение этой задачи невозможно без разработки новых обоснований в теории и практике надежности систем.

В настоящее время ведутся большие работы в России и других странах по совершенствованию методов, моделей и алгоритмов по обеспечению надежности и устойчивости сложных технических систем и комплексов. Ведущую роль е создании и развитии =«той научной проблемы сыграли основополагающие работы Гнеден— ко Г.В., Беляева Ю.К., Соловьева А.Д., Каштанова В.Н., Судако-ва P.C., Коваленко И.Н., Широкова А.М., Северцева H.A., Кудриц— кого В.Д., Алексоняна И.Т., Простаковой И.В., Воробьева В. Г., Козлова А.И., Уварова В.С., Васильева В.И., Рохмистрова А. Н. , Новикова B.C., Маньшина Г.Р.

Проведенный статистический анализ работы PCА позволил определить пути повышения безотказности РСА и выделить приоритетное направление решения этой задачи. Это прежде всего повы-

ии'мш! 1м» име1Ричрскои составляющей надежности РСА, прпмение-моь* и в»>»эм»«ых целях. Однако» остановлено, что оптимизация пар • <» г-ич|»с»'01.1 состав л яющей наружности РСА с уществ ующими метода--iи/1 может быть выполнена лишь для прост.-,?йши>: устройств в " ^»е-ренноп клюнете " и с рядом допущений и. ограничений. Повтому, в пргдлагаемоп исспедовзнии, разработаны новые подходы, методы и модели пое* имения надежности РСА, такие, как " встроенная надежное ть ", базирующаяся на интегральном знании надежности систем и элементов, на основе информационных технологий с применением ПЭВМ, Данный подход позволяет разработать модели роста надежности элементов РСА, которые адекватны реальному состоянию ис — спедуемого объекта. Основополагающим этого подхода, является понятие "опорной информации**, которая определяет целевое назначение РСА и фиксирует ее облик при создании. Подход в реализации задачи е такой постановке заключается в следующем г

В процессе декомпозиции системы опорная информация позволяет оостичь такого уровня абстракции, что становится воз — потным не только содержательная интерпретация вводимых понятий, но и измерение, вычисление, сра» нение, сопоставление и идентификация показателей " встраиваемости " в смысле надежности.

Понятие " встроенной надежности " в предельном случае долхно переходить в общепринятое понятие надежности ~ и надежность естраивается " в систему (об\ект) на всех стадиях жизненного цикла. " Встроенная надежность " — .--то свойство опорной информации, определяющее способность облика объекта, соответствовать своему целевому назначению.

Цель работы - исследовать и разработать методы, модели , а лгорит» 1ы и принципы обеспечения надежности РСА на основе

опп^мльнси'о стоезд мо^дэа ! елей мл»1е»иостм РСА и ~)ГЭ по кри1РР1И»1 ч оичивос т и, ти и стоиюпи, и так-

же оценить Фактиче1> ^»о м*1м?*мость РСА. н^;:одяц)^'К)Ся в ?ксплVэта-ции. Представить пг«/ет прикладны:: пногмаии (ППП) исслелоь^ния и оценки параметрической надежности РСА ЭР Э.

Методы проведения исследований.

Основной метод выполнения работы базир уется на системном анализе, который включает в себя современное состояние проблемы, теоретические исследования,разработку методических принципов применения реэультатов теоретических исследований в практике, статистическая оценка результатов эксплуатации РСА.

При решении задач широко применялись методы моделирования, оптимизации, информационные технологии с применением ПЭВМ, математической статистики, теории вероятностей.

Научная новизна.

1. Разработан концептуальный подход м встроенной надежности " с представлением моделей, описывающих надежностные показатели и параметры.

2. Обобщена и предложена методика определения количества критических элементов в системе, влияющая на устойчивость и надежность работы системы в целом.

3. Представлен метод исследования повышения надежности и устойчивости РСА к воздействию внешних дестабилизирующих Факторов (ВДФ).

4. Предложена методика оптимизации электрических режимов р а боты ЭРЭ.

5. Разработан метод повышения параметрической составляющей надежности РСА специального назначения.

0. I !►» едпсием (1П11 дп ** ИНТОНЙ1 пйировнннои сеапиаании I »г>-л ч'чйнны:: исследований.

П»-.«♦-. т инсг к п(?мнг >г ь С(1|.СМ1!.

Нйьота направлена не гкюышонир постоверности по обрспе— чению надежмости сложной техническои систепы (РСА), приненяепой в армии и других институтах СРЕ<. Она является пионерской в СРВ, что способствовало создании практического руководства по эксплу-атаи.ии специальных технических систем с целью эффективного их применения. Имеются акты внедрения.

Апробация работы.

Отдельные положения работы докладывались на следующих Форумах и семинарах •

1. Б 1991 г- на международном семинаре по надежности радиоэлектронных средств в Варшаве.

2. В 1993 г. на Всероссийской научно — практической конференции в Н. — Новгороде по качеств у промышленной продукции.

3. Два*ры в 1994 г. работа, в целом, докладывалась на на унном семинаре в отделе надежности и системотехники Института Проблем Кибернетики РАН ( ИПК РАН ).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано три статьи, отдельные параграфы диссертации вошли в отчеты по НИР ИПК РАН.

Журнал " Стандарты и качество " N 1 1995 г. Вопросы кибернетики РАН 1991г. ( Сборник статей 1 —

4655 ).

Научно ~ технический сборник Военно — технической академии СРВ N 2 1995 г.

Ст г» ^кт ^-ра диссертации.

Яиссертаиия состоит из : пе-рорнин, 4-х гпае, заключения, списка используемой литературы, содержащего 159 наименований, приложений ( NN 1,11,111 ). Основной текст занимает 185 страниц. В работе имеется 3 я»исунка и 22 таблицы.

Краткое содержание работы.

Во введении Формулируется общая характеристика работы, конкретизируется цель и состав задачи.

В первой главе обобщены общие сведения оценки статистических параметров, полученных при эксплуатации и испытании информационных радиосвязных станций, находящихся в арми-* СРВ.

Выявлены характерные типы отказов и наиболее слабые элементы, узлы и устройства РСА.

Проееден анализ отказоустойчивости и предложены оптимальные показатели отказоустойчивости исследуемой аппаратуры.

Сделан критический анализ методов применения решения з а дачи рационального выбора электрических нагрузок »■. л ЭРЭ.

Известно, что результаты анализа статистических данных фиксируются набором случайных величин X , .... X . Вероят— ность получения результатов описывается Функцией распределения. В качестве меры точности применяется дисперсия 0(0. ) с определением ее нижней границы несмещенной оценки

1

1.1

где (СС) — величина, характеризующая количество информа-

ции относительно параметра.

Для характеристики уровня определечности результатов

анализа данных использована ЭНТРОПИЯ. Тогда процесс исследова-ми> надежности РСА «влиется мнФонпанионнып процессом, что поз — волинт ^'меньшить vpoвoнb неопгепелемности о надежности объекта.

Сселенный анализ по результатам эксплуатации < Табл.1 ) радиосвязной информационной аппаратуры выявил причины отказов РСА, из которых главными являются конструктивно — технологические Факторы (407.) и внешние воз действ укмцие Факторы (в основном климатические и нарушение режимов эксплуатации) — 607С, Полученная репрезентативная выборка обладает достаточной информативностью.

Проведенный анализ критериев устойчивости Функционирования аппаратуры показал, что при моделировании надежности отказоустойчивых систем, важным является различие между статистическими и динамическими моделями. Статистические модели — это, например, логико — вероятностные, основанные на использовании структурных Функций, применяемых при исследовании влияния структуры системы на ее отказоустойчивость и безотказность.Типичными динамическими моделями являются Марковские. В качестве интегрального показателя . этказоустойчивости вводится среднее число отказов ЭРЭ надпороговой кратности * 4 не приводящих к отказу системы.

9= )

ср*.

где ¿Н+Л ~ чувствительность к отказам над пороговой

кратности.

Ctf1

ности.

порог отказоустойчивости. При исследовании отказоустойчивости аппаратуры важным является определение критических элементов в системе, при которых система будет Функционировать. Критический элемент — это

эле»»енг, отказ которого вызывает отг^я неон систены. Исмо/»ьэуи известное выражение

1.:

определяется структурная ф*-нкция критичности элеиентл

{ 1 — если п^и заданном X 6 эле мент

(У ) — ^ является критическим 1-4

ч 0 - е противном случае тогда ${СХ) = <Лх>- 4>(01ух)-

В случае, если компоненты вектора X £ являются Бинарными

случайными величинами ( С • & ) с распредоленмем

р* р,\, Р{х,- = о1= 9,-

тогда можно определить вероятность того, что элемент 1 будет критичным

</>Сх; = р; * ъ%р;

■г

I — вектор коэффициентов готовности элементов, . коэффициент готовности элементов Я. Со/, _ коэффициент готовности системы при условии, что коэффициент готовности элемента / ~ О Р £ - характеризует вклад элемента 1 в надежность

системы. Она же характеризует \л устойчивость системы к отказу этого элемента. Среднее число критических элементов в работоспособной системе можно определить как

1 . --»

с(( Р ) = оС{СР) 1тЬ

п

с л учаев

Для пррлспьмых " I При пос пеош»<.«т «-т.» *с»м <.о^'тчме*» ни,'» «?»«I ов

П

.¡¡1Р)= П Р( , к(0с-, р;= О, ■

с(1Р)=> п. . -— ->

^ ^ ^^ _ — ~ срепнее нис по =>лемя*мтов. при отказе ко-

торых , система сохраняет работоспособность

2. Для параллельного соединения элементов

УХ,

1.7

3. Для однородных систем среднее число критических элементов в работоспособной системе определяется с помощь» структурных вероятностей п

Бо второй главе представлены элементы концепции "встроенной надежности" и модели исследования надежности программного обеспечения, а также некоторые методы представления и обработки информации - знаний для анализа и обеспечения надежности РСА. С учетом возможности информационных технологий предложены понятия опорной информации. Эти понятия могут быть использованы на всех этапах жизненного цикла системы.

"Встроенная надежность" - это свойство опорной информации, состоящее в способности облика системы соответствовать своему целевому назначению.

Разработка методических средств исследования надежности ориентирована на построение эффективных и гибких вычислительных процедур оценки показателей безотказности и гарантоспособности.

Следует отметить, что в отличие от механических средств

программные средстиа не подие^хены старении). Отказ программы Меи т ^г 1«<рт 1С)п1й, ког пс она попадает в срел ^, для ксп орой не

пгч'пндзначалзсь. Система показателей надежности программного обеспечение е ос нов но»» соответствует показателям надехнос.ти технических средств, но включает в себя комплексные показатели, например • число ошибок на 1команд программного текста, или вероятность безотказного исполнения программы.

При моделировании надежности программного обеспечения можно одновременно использовать две переменные : время исполнения. и календарное время, котрое выступает в качестве показателя трудозатрат на поиск источника отказа, локализацию и устранение причин отказов. Тесты для обрабатываемой программы представляет среда, в которой эта программа используется.

Во время моделирования надежности программного обеспечения необходимо учитывать следующие переменные : в — общее время исполнения программы от начала ее отладки 1 — оперативное время с момента внесения в программу корректирующих изменений. Тогда модели роста надежности программ описываю- с я следующим

уравнением

МЫ) = 4^1:$«).

а.

г

- С~ ¿х) 2.2

СИНОДУ = J Р($,Х) с/х 2.3

о

©о

С ИНО(0) - $ Р(0/<)с1х 2.4

- If

г т.- CHHO ( o) — средняя наработка на отказ е начале

отработки

интенсивность отказов ( СННО )« как Функция времени исполнения S и оперативного времени t вспомогательная функция оперативного времени математическое ожидание числа причин отказов, обнаруженных и устраненных ко времени S. 2.1 учитывает мгновенное устранение отказов. В главе проведен анализ моделей надежности программного обеспечения таких, как •

I Модель Джелинского — Моранды ; II Модель Шика — Вальтертона ; III Модель Шумана ; IY Модель Мусы . Бее перечисленные модели учитывают сложность отлаживаемой программы, ибо каждая из моделей содержит начальное число ошибок программирования. Анализ указанных моделей позволил предложить некоторые признаки классификации с целью наиболее эффективной реализации этих моделей, а именно г

1. Каким образом учитываются причины отказов.

2. Характер устранения причин отказов.

3. Учет проведенных объектов испытаний.

4. Характер учета априорной информации.

Для модели I. С учетом (2.1 - 2.4) выполняется равенство Cjit) - 4 тогда

A4,» =: - к СЫо*- A/f«) 2.5

ä S

X С Set) -

$<t) -N (S)

пос mí? им 1 t'fí'hpolwmufl моп vhhfl

Л/(5> ^ Ыъ í Л- £xp( Кг. Ь 'ае Al^ty-z i«. Л/^q ß ~ зависит от оперативного нрепрни I

^ - коэффициент пропорциональности

Отсюда функция надежности

-

Pes,f) - ех/> (-f л*/« е )

Средняя наработка на отказ

с нно (s) -

fis,ir) = к.м^.г kSг*рс~ tk е-**)

2.7

Модель II- Построена в предположении, что ФПВ нежду 2-мя отка-

зами является плотностью Релея. Тогда

X = к а/„ е" К\

BSРР CS.+) г; ехрс- e~Ké*)

fr.

2. 10

СННО ts.) -

~Л > g «/г.

2. 12

f(s,t)z tvcpi-KN^e t2-13

Модель III. Описывает динамику повышения надежности и по виду совпадает с моделью I. Отличие — вместо м К " вводится " -f ", учитывающий частоту исполнения программы. Эта модель также учитывает зависимость интенсивности отказов с размером программы. Модель IY. Дифференциальные уравнения для числа причин отказов

J. л/c-s;

Ts

~ К fí

2. 14

2. а

. 11

Д»*г крет ные подели роста надежное i и имфгipmaimo» « »ой г^аиосвизнои лг vp(i включают в себя множество =*л1»м».мп-арм»г: сообщении,

1аких как успех, отказ, проведемн«» д?»раъс.» гс»»'., (иг vi.-. гйие таковых, устранение причин отказов и пр. Такое расширение позволяет о единой модели просмотреть BF>P с« с en системы. Кривые роста надежности могут быть получены как частные случаи при соответствующих допущениях — условиях, Эти допущения следующие s

1. Имеется конечное число допустимых отказов N.

2. Отказы по разным причинам являются несовместимыми событиями.

Тогпа ЕБРР - ( вк, п %) = &ке k,t= ^ 2.15

< - qwv

г- с 1 . * = е.

~ I О К * £ 2.16

- означает, что при отработке в i - ом испытании произошел отказ по причине К

Q/Z,' - вероятность события

Ptcv/e*.-) - <гке ■ qiK

Cjçf — событие, что между i — й и (i+1) отработкой будет устранена К — я причина отказа.

— вероятность устранения в i — ой отработке К - ой

Я-

К

причины

PCCK,/Af) = SK f К= -!,N

А-

отказ отсутствует в 1 — ом испытании. В не лом пр оцесс отр аботки можно опис ать системой не линейных разностным уравнений

K=1

2.18

Л л я упрощения решрми» 2. 18 спепует перейти к соответствующей

систеие пиФФ1?к»нмии.ч л».. «ых ур авнении. Тогда | "

г ( £ ^ Х<*> + 2 х. = Я

а

^ = ^ V -

•де 1 - вспомогательная независимая переменная

Х'О = р.- , ^Н') - Л->о

ИнтегриР>'я 2. 19, получим Н

XI*) = ¿4 /(с^ь + 1)-) уи) = С* /СС^ь+4) /

Если , = 7 1С - N

т.е. причины возникновения отказов и возможности их устранения равновероятны, то Функция роста надежности

Х^у = Р _ ^

А

Что касается параметрических моделей роста надежности исследуемой системы, то, как п^аеило, в явном виде они не учитывают количество причин отказов на раз личных этапах применения системы. Представ ляется в общем виде модель устранен ля причин отказов, кото°ая позволяет исследовать рост надежности системы в зависимости от объемов работы, при условии, что причины отказов одинаковы и доработка ведется в одинаковой степени. Отказы взанионе зависимы. Система разностных уравнений, описывающая этот процесс

= $ + £ е1к% (<- +1ок%(<-У7'"-' р - р

П.-1

. 2£>

р^ — ВЬР после з - ой отработки

ч/

э ер о ят нос ть отказ а по К - он п»> иммис »«а

j - ой стадии

в,К = к, 9<к 6 [0,1]

С^у- - на з — ой стаоии ^'страняетси К — я причина — вероятность устранения К - й причины отказе после успешной отработки К = N + 1, N. Тогда Функция правдоподобия

р(в) - -X п^ С^ &г%<е>+(е3-

&.-В1&) . 2.23

■Еп - *I

Л/7

где & ~ ^ ! • - вектор параметров модели

В общем виде 2.23 дает возможность реализовать методику оценки роста надежности РСА при условии решения задачи нелинейного программирования, для чего необходимо найти т при ограничении О 'С 4 ^ 2 —

Для решения 2опросов оптимизации (о чем будет показано конкретно в 3-й главе) надежности многокомпанентной информационной системы РСА в работе предложены следующие классы критериев г

1. Максимизация вероятностной характеристики ( вероятность безотказной работы за данное время, среднее время безотказной работы, коэффициент готовности).

2. Минимизация некоторой экономической характеристики при условии обеспечения эадамн >го уровня надежности.

Основными моделями системы РСА в задачах оптимизации являются '

т

а? последовательная модель р> - ^ у Р^ б) параллельная модель ^

с* > сп».-шс«»-««»•«=» и&иили леповйтельно — параллельные и

Л;

вольные) 0= П & , 4-Пг.Ц

1 л * с=1 ^

параллельно - послоцоват^-пц,,.,..;, ^ — - - п , . « —

г) мооель резервирования, характеристикой которой является то, что не все параллельно - последовательные комбинации активны в одно и тоже время. Если все параллельные устройс те а активны в одно и тоже время, то вероятность благополучных исходов _

/3 , \ т.--1

р=(м,/з,2 )~(т) г (1-2.)

где 1 - надежность каждого устройства РСА будет Функционировать если 5, 5+1, гп устройств успешна Функционируют, т.е. т

Репу?,г; = 51т 2* <<^2 1

д) модели двойнлх отказов. Это надежность п - ступенчатой последовательности, где каждая ступень з имеет п^ паяал-

ле л ь ных компонент Гп

р= п в =П((<*- дГО

Г'1 и 7

Решение задачи оптимизации осуществляется в следующей последовательности :

— выбор коммонентое Р э = г^, так, чтобы максимизировать надежность последовательной системы?

— оптимальное распределение резерва — выбор числа параллельных компонент т^ в каждой п — ступени производится так, чтобы максимизировать ВБР?

— минимизация стоимости согласно с ограничениями надежности;

— обобщенная задача оптимизации необходимых запасных частей;

— ремонт и профилактика как Функция оптимизации замены»

— оптимизация готовности - максимизация минимума готовности в

помаде r a* »wo мшеннлла времени.

f; -»сд?й rnaoe представлемн (ч>1«:ни>1 эзиачм оптимально »•о с.и»м езс* пае а» гетрое ЭГ'Э. Кропс алоач ои'лзоус тоичиеости к воздействию Г<ДФ необходимо оптимизировать электрические режимы работы ЭРЭ.

Разраьоганяын алгоритм определения влияния Е<ДФ на отказоустойчивость PCА позволяет построить для каждого выходного параметра регрессии полиномиальных моделей <РПМ). РПЯ 2-го порядка для К — го определяющего параметра работоспособности имеет вид :

f = b0+i&j*j * г B;jXiXj + Z ßjj4■

Р — вынисленное значение К.-гс выходного параметра,

fyj / ко-<9фиииенты регрессий,

у/) - количество ВДФ. Ее ли б качестве одного из Факторов Xj (3,1) учтена продолжительность испытания, то эта модель динамическая, в противном случае — статическая. Коэффициенты регрессиии по методу наименьших квадратов <МНК> определяетея :

в = CÄrW.X y?(xT.w-#) 3-2

В — вектор - столбец искомых коэффициентов регрессии; X — матрица планирования испытаний (значение БДФ); Y — вектор - столбец измеренных значений выходного параметра; W — матрица измерений? Т — знак тр анспониров ания.

Для каждого устройства РСА информационной системы подбирается номинальное значение параметров ЭРЭ при которых отказоустойчивость к воздействию ВДФ максимальны.Это означает MIN F( Xo,...Xn)

ма i жохег Ti-i»." Г Оо,»..Хп).

Г ( Хо, ... Хп 4 um иммч«'!*» Ф>ч«киия *размость значений выход —

ног о n^^aneiKi* »"»и Г'АХ и MIN значении D <Р? Xj — iMfc4ieip ^номинальное значение j-ro S

п - количество 5РЭ по которым проводится оптимизация»

Метооика расчета и оценки параметрической надежности ЭРЭ РСА основывается на неравенстве Чебышеваг

3.3

Вероятность нахождения выходного параметра ЭРЭ в заданных пределах обратно пропорциональна его дисперсии. Последняя зависит в свсо очередь от дисперсии ( класса точности ) ЭРЭ. Следовательно можно повысить параметрическую надежность путем подбора класса точности ЭРЭ при заданных ограничениях на стоимость. (Стоимость зависит от класса точности). Для решения этих задач определяют соответствующий алгоритм, а, использ уя 3.1, пол учим

вероятность нахождения выходных параметров в заданных пределах Ы*4 , fit*

/ / _ /

Рп , Во + Z + t^V'2/

J>(- 1

3.4

где Zj — класс точности ЭРЭ.

Распределение погрешностей номинальных значений параметров ЭРЭ подчиняется распределению с плотностью вероятности

с

fiXJ>= itha • г?» . Xj*

'о .4 OCJTHi+fHx слухи!

3.5

ухи**

где а, с — соответственно нижнее и верхнее значение параметра

I - го ЭРЭ. значение дисперсии будет

С с-

- 1П

значения >.4 — 3.6 позволяют сформировать методик*' решения парг»»Ю1Рмческой надежности информационной РСА. Это означает, что о/1Я сыпанного момента времени 1 э, ограничений выходного параметра Ув, Ун и ни.него уровня параметрической надежности РСА Рз, с учетом случайного влияния ВДФ, необходимо выбрать класс точности ЭРЭ, при котором суммарная стоимость ЭРЭ будет минимальна т.е. ^

Сг Ф* -

Рп С^ >, рз

% < Усе> * №

где С тг - стоимость _]"—го типа, г- класса точности;

Ст - суммарная стоимость ЭРЭ. Надежность информационной РСА обратно пропорциональна коэффициенту электрической нагрузки <КЭН>. В тоже время КЭН ведет к увеличению стоимости, массе габаритов РСА. Поэтому задача выбор а КЭН — оптимизационная. В диссертации эта задача решена следующим образом*

1. Устанг злена зависимость

- А = 3"8

где — коэффициент электрической нагрузки»

" суммарная интенсивность отказов; /Су — количество ЭРЭ. Комбинации различных значений КЭН ЭРЭ позволяют получить зависимость интенсивности отказов а виде регрессии полиномиальных моделей 2 - го порядка т.е.

и/

Л = в. * % ^ * £ вп к/

3. 9

Коэффициенты регрессии опг *?яг*п «ют с и по Формуле >. поостанив соответственно вместо - "К", а о>п?сто

В — вектор столбец К?Н ЭР").

С учетом З.В и 3.2 решение задачи оптимизации определяется в следующем виде !

где N — количество всех элементов ЭРЭ;

Сз — заданное ограничение по стоимости;

С1 — стоимость I - го ЭРЭ. Для номинально допустимых значений всех К1 находятся значения XI и Сз. Среди всех рассмотренных ЭРЭ выбираются такие, при изменении допустимой электрической нагрузки которых, выполняются следующие условия:

Глава поевящена экспериментальной реализации разработанных моделей, методов и алгоритмов обеспечения надежности и устойчивости информационной РСА при ее Функционировании путем програмнирзвания и диалогового режима на ПЭВМ.

Представ лено решение задачи оптимального синтеза параметров ЭРЭ по критериям надежности и стоимости на основе разработанного пакета прикладных программ (ППП) на языке "Нейтрона -Бейсика". С помощью ППП имеется возможность моделирования РСА на уровне ячеек, блоков и стоек.

Входной информацией для программ являются номинальные данные параметров ЭРЭ, классы точности и стоимости ЭРЭ, коэффициент электрической нагрузки, величины определяющих парамет—

3. 10

I АСт/ДЛ]-» М**

3. 11

рое рдбоI оспосойностм, ограничения на э»и параметры, стоимость ЭРЭ Г'СА, мость беьо1 казном Р㻈.с»ты за ланное вриня, зна-

чение интенсивности отказов и а«»зчс?мия внешних дес гавияизирую-щих Факторов.

Аппаратно- програниныи комплекс работает в слеоукнцих режимах •

1. Оценка и повышение устойчивости информационной системы РСА к влиянию ВДФ,

2. Оптимизация параметрической составляющей надежности ЭРЭ и системы РСА.

3. Оптимизация электрических нагрузок работы ЭРЭ.

4. Получение кат; лога неортогональных Д - оптимальных

планов.

5. Моделирование и оптимизация системы РСА.

6. Кодирование Факторов ВДФ.

7. Отказы в Функционировании информационной системы РСА.

Оригинальность аппаратно - программного обеспечения исследования надежности с учетом ВДФ заключается в Реализации алгоритмов . моделей и методов, обладающих инвариантность».

Проблемная направленность - оптимальна, эффективность в получении необходимых результатов — достаточная.

Для проверки эффективности метода оптимального синтеза параметров ЭРЭ по критериям надежности и стоимости РСА,а также эффективности ППП был исследован и оптимизированы параметры стабилизатора напряжения СН Гв5.123.092 из состава передвижной 1 К.В - информационней радиостанции средней мощности. Данный стабилизатор является.вторичным источником питания передатчика

р а л нос t линии. К нем v пр*?д i яе л яютс я xet: ткие тр ебов а ни я по ста— мл/1ьнп( 1и значении выходных параметров, их остойчивости к влиянию ПЛФ. Кроне того, в его состав входит большая моменклат vpa комплект vtoujiix ЭРЭ: конденсаторы, никросхемк, дроссели, резисторы, транзисторы.

От уровня надежности и устойчивости работы стабилизатора напряжения зависит эффективность работы всей станции.Кроме того, генератор напряжения содержит многозвенный фильтр радиопомех , регулирующий элемент ( силовой транзисторный ключ ), схему управления закона коммутации, узел защиты от перегрузок. Перечисленные и проанализированные элементы и узлы стабилизатора напряжения дали возможность определить перечень ЭРЭ, по KOTOPtiM может быть проведена- оптимизация по критериям надежности и стоимости. П«»и этом, выявлены такие номинальные значения параметров ЭРЭ, при которых схема управления стабилизатора мак— • симальна, а средние значения выходных параметров равны номинальным значениям по ТУ.

На основании статистических данных по эксплуатации информационной системы РСА и аналогичных систем определены "опасные" дестабилизирующие Факторы, а именно :

— температура окружающей' среды;

— влажность;

— механические вибрации;

— нестабильность выходного напряжения?>

— время.

Вводя (в соответствии с ППП) в ПЭВМ необходимые запросы по интересующим Факторам, их верхние и нижние границы, значения данных, получим абсолютные значения Факторов по следую—

щей »opnvne •

Rj = (P.mix + P. m.- У2, ( ~ Р^" /-2. 4. i

гае Рх j — знамение i — го Фактора е у — и замере;

Р> min. Pi max"— соответствующая нижняя и верхняя граница i - го Фактора*

Xij — знамение i — го Фактора е i — и измерении.

Поскольку целью решения задачи является установление и ранжирование величин зависимости выходного напряжения стабилизатора напряжения от ВДФ необходимо определить чувствительность выходного напряжения ( U вых ) по отношению каждого из ВДФ. Представленный ППП дает возможность запросить среднее значение каждого ВДФ и, ло ниже записанной Формуле, рассчитать чувствительность U вых по отношении« изменения каждого из Факторов -

^xuS - Уtux ~ (■ Р.ООООСУ1Х) - V-gw* (х))/о,ооооо4

4.2

Проведенные исследования показали, что (4,2) наибольшую ч>ествительность стабилизатор напряжения имеет к воздействию температуры, а наименьшей его чувствительностью является

I

Фактов врем ни. Проведя вычислительный эксперимент по операторам: y/cù) - ... : &05U& ц ¿¿о : print [wl

находятся граничные значения выходного напряжения.

Показано, что число параметров подлежащих оптимизации не более 10, а следовательно предложенные методики, модели и алгоритмы реализуются достаточно эффективно на ПЭВМ.

Реализация осуществляется последовательно для ячеек, устройств, модулей, что дает возможность значительно сократить параметрические отказы.

Га^.тща 1

NN /п /слоеное мамченг еамие пнф0рмдци0нн011 РСЛ Т <чаг) Тк (час ) Т / т»- Пог пн проврпр перопр. (о:', лаг в пагочгаслащен Тк ! Т/Тк

1 2 3 4 5 6 7

1 Радиостанция N 1 2000 800 2. 5 920 1 . 15

2 Радиостанция N 2 2000 1100 1, 0 1250 1,36

3 Радиостанция N 3 2000 850 35 900 1,05

4 Радиостанция N 4 2000 1200 1, 65 1280 1,06

5 Радиостанция N 5 1500 700 2. 14 750 1 ,07

6 Радиостанция N 6 1000 700 1, 43 770 1, 1

7 Радиостанция N 7 2000 900 , 22 950 1,05

8 Радиостанция N 8 1000 450 2, 22 480 1,06

9 Радиостанция N 9 1000 650 1, 53 690 1,06

10 Радиостанция N 10 800 550 1, 45 600 1,09

Значения наработок на отказ по данным эксплуатации и по ТЗ(Т).

рлгспАуатач"" )

Х- Классииские /чеп^и шпнтний ЛЬто^ч уссо/кччих <лпцтаЧии

£ - ОсНгРа'.ич* на шлоОпрлорноЬ

имфЬрЧЧЦШ-!

Выводы.

В результате проверенмон работы пол следующие

г.и.'моенме реэ у/1ьтаты:

1. Проанализированы и овоьщены типы статистических па-характеризующим надежность информационен системы РСА.

Разграничены группы Факторов на управляемые и неуправляемые, а в части пол умения информации эти Факторы оцениваются энтропией.

2. Представлен метод определения критических элементов информационной системы для оценки устойчивости ее Работы. Введено понятие "встроенной надежности",базирующейся на информационной технологии, которая в свою очередь определяется опорной информацией. Последняя накапливаете я в двух взаимосвязанных компонентах "целевое назначение" и "облик системы". В этом на— прав лении обобщены модели обеспечения надежности программных средств, с помощью которых обеспечивается "встроенная надежность " информационной системы РСА.

Разработана методика расчета надежности технических средств РСА, основанная на построении системы иммитационных моделг ..

3. Пр едставлен подход и решена задача оптимального синтеза параметров ЭРЭ заданной структуры по критериям надежности и стоимости для динамических режимов с учетом коррелированности по произвольным законам.

Данная задача решалась в следующей последовательности:

- Анализ отказоустойчивости и повышение надежности ЭРЭ РСА к. воздействию механических и климатических Факторов.

- Оптимизация коэффициента электрических нагрузок ЭРЭ информационной системы РСА.

- r*s -

Ррймиэлния залами опт инизаоии па*-амет г-им ее к он надежное -ти ос vniec гп т. нн «; помощью аппаг*атмо - программны-: средств (ПЭРМ 4 ППП).

Как маиСолее характерный и обобщенный пример проираена проверка эффективности алгоритмов и моделей надежности и устойчивости системы путем оптимизации стабилизатора напряжения интегральных схем и получены следующие данные :

1. Отказоустойчивость информационной системы РСА к воздействию ВДФ можно увеличить в 1,7 раза.

2. Интенсивность внезапных отказов сокращается на 10*Л

3. Значительно повышаете я вероятность нееыхода парамет— ров ЭРЭ за пределы допусков.

V

По геме диссертации опубликовано •

1. Нгуен Ай ФУ. Тезисы доклада на конференции в Польше (Варшава) на тему г и Опыт эксплуатации радиосистем с в язи при высокой окружающей температуре и влажности 1991 г. 0,2 пл.

2. Северцев H.A., Нгуен Ай ФУ. Концепция м встроенной надежности ". Сборник РАН " Вопросы кибернетики " N 1 - 4655 1991 г. 0,6 пл.

3. Сееерцее Н.А., Нгуен Тхыонг Куанг, Нгуен Ай Фу. Журнал " Стандарты и качество ** N 1 1995 г. 0,9 пл.

4. Материалы в отчет по НИР ИПК РАН " Надежность и безопасность сложных технических систем.*, н Оценка надежности изделий при случайном.режиме их использования *м- 28 страниц (рукопись).

Аспирант /Нгуен Ай Фу/