автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Теория и методы контроля электромагнитной совместимости микроэлектронных систем обеспечения безопасности движения поездов

?f 3

1 5 M№ 1393

МПС ж

Московский институт инженеров железнодорожного транспорта

на правах рукописи

БО'-КСЗ KOHCTAKTKi АФАНАСЬЕВА

Геория а методы контроля электромагнитной совместимости микроэлектронных систем обеспечен^ эзопасноста движения поездов

05.22.08 - эксплуатация холезнодорсь о транспорта

(включая системы сигналазаи а, централизация и блокировки)

AüTCF'EvEFA? диссертации на соискание ученой стопани доктора техшгчоских наук

Москва 1993

Р'а<х>та шполнеаа а Белорусском и Московском институтах инженеров Еэлезнодорожпого транспорта.

Научный консультант - доктор технических наук

профессор В.М.Ласенков Официальные отонэити - доктор технических наук профессор Сапожников В.В.. доктор технических наук г профессор Красковский А.Е.,

доктор технических наук профессор Кечиэв Л.Н.

Ведущее предприятие - Государственный прооктш-* изыскательский институт по

проектированию сигнализации, централизации, связи и радао па кэлеашдорогном транспорте

Защита состоится 3 ап/н-.и 1993 г. в /4 час. 6О мин. на заседании специализированного Совета Д 114.05.0-4 при Московском институте шсюя&ров железнодорожного транспорта по адресу

101475, ГСП. г.Москва А-55, ул.Образцова 15, вуд. 151 к

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МШТа. Автореферат разослан 1д9з г.

Отзыв на автореферат, задаренный печать®, просим направлять по адрасу Совета института. Учений секретарь специализированного Совэте

доктор технических наук В.И.Шэдушш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблеш. Ревзния важных задач народнохозяйственного значения во многом зависят от эффективности работы транспортного комплекса. Железнодорожный транспорт в этом комплексе является определяющим и на него лозится основная нагрузка по пэрэвозке грузов и пассажиров.

Процесс движения поездов относится к числу ответственных технологических процессов (ОТО), связанных с безопасностью пассааяров, сохранность» материальных ценностей и охраной окружающей среда» Нэучно-т&Хшческиа прогресс, в том числе и на железнодорожном транспорте, немыслим баз использования новейших достихэний науки, техники а передовой технологии. С начала ео-х годов в системах управления СТП началось сирокса использование микроэлектрошой техники, что позволило поднять их на качественно новый уровень. Однако создание многофункциональных инфоруащгонно-управляшзк систем 0?П осложнялось обострением проблемы обеспечения их безопасности.

Новый этап осмысления проблемы обеспечения безопасности начался после крупных катастроф на химическом комбинате в Бхопале, на АЭС в Три-Майл-Айлендэ и Чернобыле, на космическом корабле многоразового использования Челлэндеер, приведен* к человеческим жертвам, потере огромных материальных 'ценностей н экологическому бедствии. Зсе это послужило толчком в развитии теории безопасности ОГП. так только суммарные расхода нз исследования по' безопасности АЭС в западных странах составляют ежегодно более 1 млрд.долларов. -

Известно, что к нарушению условий безопасности михроэлентроншх систем управления ОТЯ могут привести не только отказы элементов, но и сбои от действия электромагнитных подах. Иллюстрацией этого можот служить факт приведения в состояние

тридцэтвсекундаой готов; юс та ракет с ядерными боеголовками из-за сбоя в работе компьютеров. Учитывая, что сбои в работе микроэлектрошщх слотом явления более частые на порядок, а то и выио, чои отказы, 8 последствия от влияния помех в конечном итого могут проявляться така®, как и отказы аппаратных средств проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). при заданном уровне безопасности, настолько ¡ко актуальна, насколько актуальна на современном этапе развития техники и проблема обеспечения безопасности ОТП.

Первый опыт разработки и опытной эксплуатации микропроцессорных систем обеспечения безопасности движения (СОБД) поездов показывает, что решение проблемы ЭМС во многом . определяет эффективность их функционирования в условиях реальной электромагнитной обстановки (ЭМО). Причем по мере дальнейшего развития железнодорожного транспорта и соврешэнствоваыия микроэлектронных СОБД проблема ЭМС имеет тенденции к обострению по следующим причинам:

- повышения уровней помех из-за роста энерговооруженности транспорта и единичной мощности электромагнитных исполнительных механизмов и устройств;

- увеличения сложности и уменьшения габаритов микроэлектронных СОБД, ведущего к повышению плотности монтажа;

- повышения требований к безопасности и надежности.

Актуальность проблемы ЭМС обусловлена ецо и тем,' что в

странах Европейского экономического сообщества с 1992 года поэтапно вводятся единые нормы а обязательная сертификация на ЗМС любой электронной аппаратуры. Законом "О железнодорожном транспорте" а ггр^жвзом Министра путей сообщения н 24 Ц от 24.05.1991 г. предусматривается обязательная сертификация по условиям безопасности технических средств асэлезкодорожпого

транспорта, включая и устройства автоматики, телзмзхаяжст и связи. А требования по Э.ЧС согласно ГОСТ 29037 отнесены к сферэ обязательных при сертификации технических средств, изделий и оборудования промышленного транспортного и энергетического назначения.

Таким образом от результатов решения проблемы ЭМС зависит пяучно-т&хническай прогресс в области совершенствования и разработки микроэлектрошмх систем управления ОТП транспортного и общепромышленного назначения.

Состояние проблеш!. Эффективность функционирования транспортного комплекса во многом определяется техническими средствами и технологией упраплеяия перевозками. Большой вклад в разработку и совершенствование теории и методов управления перевозками на жеяезнодорогном транспорте внесли известные учэные: В.М.Ахулиннчев.А.В.Викадоров, В.А.Буянов, Г.П.Гриневич, П.С.Грунтов, С.В.Дувзлян, П.В.Дьяков. В.Е.Козлов, Ф.П.Кочнев. В.А. Кудрявцов,X.М.Лазарев,С.И.Логинов, В.Я.Когрей. К.В.Правдин, Т.Д.Платонов.Н.К.Сологуб.A.A.Смехов,Е.А.Сотппков,М.Н.Тертеров, Л.П.Тулупов, З.П.Чвйкин, В.Г.Шубко и многие другие.

Сднлм из основных направлений обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте является применение специаьнкх средств автоматики и телемеханики, осуцествлядцих интервальное регулирование движения поездов. Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) внесли известные ученые: А.М.Ерылеев, В.Е.Ефимов, К.Е.Дмитриенко, В.К.Иванченко, Г.Н.Загарий, D.А.Кравцов, А.Е.Крзсковкий, И.М.Кокурин. К.Ф.Котляренко, В.М.Лисешшв. В.В.Сапожников, Вл.В.Сапожников, В.Е.Павлов, А.С.Переборов. Е.М.Шефат, Д.В.¡Калягин, В.И.Хелухия, А.А.Явяа.

Использование в системах железнодорожной автоматики и

телемеханики .чикроэлехтроввой слемолтпоЯ о&за цыдвиизот на первый план задачи разработки тоорая к датодоз построения СЖАТ и обеспечения их ЭМС с окружающей ЭМО.

В области создания и развития безопасных, в том число и микроэлектронных: систем управления ОТП на железнодорожном транспорте известны фундаментальные работа Н.О.Рогипского, Ц.К.Вахнина, Н.В.Лулалэ, В.В.Салоаиикова, Вл.В.Сапожаакова, Д.С.МаркоЕг, М. В. Василенко, Д.В.Гавзова, В.М.Лисенкова, С.А.Кравцове, Д.В.Калягина, И.В.Белякова, П.Ф.Бестемьянова.

По отдельным аспектам ЭМС СКАТ извэспш работы О.К.Дреймана, А.В.Вековжцева, посвященные исследованию информационных каналов, работы И.Г.Евсеева, В.С.Ляличева, М.П.Лисовского. А.В.Наумова, направленные на изучение средств защиты от мощных энергетических воздействий, роботы

A.М.Врылеева, В.С.Дмитриева, А.Ф.Котляренко, Ю.А.Кравцова,

B.А.Минина, А.П.Разгонова, Б.Н.Ствпвнского, И.В.Белякова и других связанных с вопрос с .'.и защиты от помех рельсовых цопэй,-

Наиболее значимой по проблема ЗМС СЖАТ является работа А.М.Костромяновз, посвященная разработке концептуальных положений по комплексному обеспечении ЭМС цифровых технических средств, электротехнических устройств и путевых датчиков.

Отдельные вопроси теории и практики обеспечения ЭМС цифровых технических средств рассмотрены в работах извэстшх специалистов К.С.Гурвича.Б.Н.Фсйзулаева.Л.Н.Кэчиева, Б.В.Петрова, Д.В.Вилесова.А.А.Ворсзвского, для радиоэлектронных средств -в трудах Е.М. Виноградова, . В.Я.Канторовича, А.Г.Бруснвцовз, А.Д.Князева, А.Е.Красковского, И.П.Хорченко и других. Значителен также'вклад в теорию ЭМС извостшх западных специалистов Г.Гольдберг (Швейцария), Г.А.Джексон (Великобритания), Д.С.Бам0 В.&ронь {Польша). Ф.И.Стумдарс, Ы.С.Вролик

(Зйдазрлвнда). Р.М.Шауерс (США), Т.Такагя (.Япония) и др.

. 3 связи с ростом в последнее десятилетие аварий и катастроф, из-за отказов и сбоев в сложных многофункциональных системах управления, начиняет выделяться в самостоятельное научное направление проблема ЭМС систем управления ОТП.

Существующая методология и нзколлеамй опыт ропеная проблемы ЭМС в области РЭС, срэдств цифровой вичислатэль'.гой тохнжи и а втом а тлз ;гро в а нни х систем управления, хотя очень вазэш и полезна для ранения частных задач, но не позволяют осуществлять нормирована? контроль и анализ параметров ЭМС михроэлектронннх ССЗД при заданных уровнях обеспечения надежности и базояасиосга их функционирования.

Целью диссертационной работа являются комплексные исследования, разработка теории и научное обоснование методов контроля и анализа ЗМС мйкроэлекгронаых СОЗД, исходя из принципа системности, тр&бувцего нормирования, согласования и контроля как параметров ЭМО, так и характеристик помехозащсценносга устройств для обеспечения заданного уровня безопасности функционирования СОБД.

В диссертации осуществлено теоретическое обобщение в области ЭМС микроэлектрожшх систем управления ОТП а решена научно-техническая проблема контроля а анализа ЭМС микроэлектронних ССЗД на всех этапах ш жизненного цикла, именцая важное народнохозяйственное значение, заключающееся в повышении безопасности технологических транспортных процессов, ускоренны внедрения в производство новых высокоффективлых мхкрозлектронных систем управления. .

Основные направления выполненных исследований: - разработка, исследование с позиции системного подхода математических модолоа ЭМС, учитывающее эффективность

функционирования мякрозлекгроняых СОБД, параметры ЭМО и степени помехозащищенности устройств;

- разработка методов нормирования параметров ЭМС, исходя из условий обеспечения заданных уровней безопасности микроэлектротшх СОБД;

- разработка методов идентификации результатов испытаний различными имитаторами помех;

- разработка принципов и методов многофадторных исследовательских испытаний на помехозащищенность на основе теории планирования экспериментов;

- обоснование и формулирование требований к аппаратурному обеспечении тэорш и методов контроля и анализа ЭМС минрозлектронных СОБД;

- создание комплексе аппаратуру для исследования параметров ЭМО и проведения исследовательских и контрольных испытаний на помехозащищенность.

.Метода исследования. Теоретические исследования

выполнялись с привлечением методов системного анализа, теории случайных процэссов, теории вероятностей и математической статистики, теории надежности, теории целей, теории планирования экспериментов, . теории конечных автоматов, математического анализа и имитационного моделирования на ЭВМ.

Достоверность научных полежалиа. обеспечивается

корректностью постановки рассматриваемых задач, строгостью математических выкладок я использованном обоснованных мэтодов решения, а таю© подтверждана их экспериментальной проверкой, результатами внедрения и опытной эксплуатации систем АЛС-ЕН и АБ-Е1 на участках Московской а.д., результатами расчетов и моделирования на ЭВМ.

Научная новизна. Разработана теория и методы контроля

электромагнитной со&м&стамостн ноеого локолеам

мяхроэлектрошых систем обеспечения безопасности движения поездов. 3 рамках разработанной теории получены следующие новые научные результаты:

- сформулированы понятия парируемых, зз^ггных и опасных сбоев и показано их влияние на характеристик:! падэ:кности и безопасности микроэлектропных систем обеспечения безопасности движения поездов;

- предложены и научно-обоснова:-ш фу:п;циопзлыше вероятностно-статистические- модели! контроля и анализа электромагнитной соачестимостти микроэлектропных систем, учитываюсь параметры электромагнитной обстановки, степень помехозащищенности устройств и эффективность ;я функциони рова лия;

- получены аналитические выражения для определения значений вероятности с бее в' устройств при распре делениях уроЕней помех по нормальному, усеченно-нормальному, логарифмически нормальному, экспоненциальному, Рол&евскому, Вейбулла и Гама-распределением в сочетании с нормаль.чым и усеченно-нормальным законами распределения степени помехозагдаенностн устройств;

- разработан метод получения среднего времени наработки на сбой для статических моделей электромагнитной совместимости;

- получена аналитические выражения вероятности сбоев и среднего времони наработки на сбой при сочетаниях стационарных случз&шх процессов уровней помех и. монотонно убывалщих равномер:шх нестационарных линейных случайных процессов степени помехозащищенности устройств;

- сформулирована и доказана теорема об эквивалентности импульсов ломох различной Флрмы;

- получеш. теоретически и экспериментально проверены,

условия эквивалентности для дзплти ж,пульсов пажх различной формы по отношению к прямоугольному импульсу;

- разработаны метода нормировании контролируемых параметров Э?.!С я согласования этих норм, исходя из условий обеспечения требований бозопасности;

- разработаны метода проведения многофзкторшх исследовательских испытаний на помехозащищенность;

- разработан способ определения адекватности модели при ресецни интерполяционных задач метода ж: теории планирования эксперимента с использованием планов полного факторного эксперимента типа 2" для случая, когда в уравнении регрессии оказываются значимыми большинство, либо все коэффициенты при факторах и их взаимодействиях.

Практическая ценность результатов : работы состоит в методическом и аппаратурном обеспечении теории и методов контроля параметров электромагнитной совместимости, позволяющем обеспечивать требования по надежности и Сезопаности микроалектроншх систем в условиях воздействия реальной электромагнитной обстановки.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, послузмля основой разработки комплекса аппаратуры измерения и моделирования помех.

Применение разработанных методов контроля и анализа ЭМС даит возможность сократить время на разработку и внедрение в эксплуатацию нового поколения высокоэффективных

шкроэлектрошшх систем обеспечения безопасности двжаэшя поездов при выполнении требований по надежности и безопасности их Функционирования в условиях реальной ЭМО.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа направлена на росеыио отраслевой научно-технической проблемы

N 4.8 "Совершенствование суцествулсп, разработка л внедерзниз нових устройств автоматики, телвмехашгки и-связи с приме нэ:г/ем современной элементной базы, микроэвм к микропроцессоров" (N 1122 от 26.05.1S81 г.) и выполнялась в рамках научно-технической программы Д-4024 "Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов и технических средств в хозяйстве сигнализации и связи" (í." 1456 от 18.12.1935г.), а также в рамках тем 1.2.4. "Усовершенствование аппаратуру' АЛС частотного типа на новой элементной базе" и "Автоматическая локомотивная сигнализация повышенной

помехозащищенности и зпэчности АЛС-ЕН", N1.19 "Единый ряд микроэлектронных перспективных систем и устройств автоматизации управления движением поездов. Микропроцессорная система автоблокировки АЗ-Е1". В рамках этих прС'Грамм и тем результаты исследований использовались при проведении

научно-исследовательских л опытно-конструкторских работ в следующей организациях: Московском, Белорусском,

Санхт-Пэтербургском и Харьковском институтах инженеров железнодорожного транспорта, в Конструкторском бюро

Главного управления сигнализации и связи, Государственном ггро&ктно-изыскательском ;шституте "Гипротранссигналсвязь".

В ходе выполнения этих программ и тем, для-технической реализации создашюй теории под руководством и непосредственном участии автора разработан а изготовлен комплекс аппаратуры по контроля и анализу ЭМС микроэлэктронных СОЗД, включаюсь в себя следующие приборы:

1. Измеритель параметров ,тапульс:шх помех, прздназначенный для исследования параметров ЭМО в сетях питания и интерфейсных линиях устройств железнодорожной автомата« л телемеханики.

2. Измеритель и имитатор длительных помех, предназначенный

для измерения и имитации параметров провалов и поренаяряазаий в сегл питания. В разработке прибора использовано а.с. N 1580262.

3. Хмитатор импульсных помех, предназначенный для моделирования одиночных и пачек импульсных помех в сетях питания и интерфейсных линиях мжрОзлектронпых ССБД. В разработке прибора использованы а.с. X 922802 и 1287200.

4. Специализированный гибкий видеотерминал, предназначенный для обмена информацией меэду оператором и комплексом аппаратуры при производство измерений и испытаний.

5. Пробник доя экспресс анализа ЭМС микрозлектронных СОБД, предназначенный дая оперативного качественного оценивания ЭМС при воздействии различных вадов помех. В разработке прибора использовано а.с. к 1237200.

Для автоматизации процесса измерений и испытаний разработаны и изготовлены также имитаторы импульсных помех, провалов и перенапряжений с микропроцессорным управлением и автоматизированный регистратор-анализатор.

С использованием теоретических исследований и комплекса аппаратуры контроля и анализа ЭМС проведены обследования 3;.!0 и испытания на помехозащищенность, результаты которых использованы при разработке к внедрении в эксплуатацию следующих видов новой техники.

1. Автоматическая локомотивная сигнализация повышенной помехозащищенности и значяоети МС-ЕН, разрабатываемая по задании МПС (К 58Ц от 30.12.1986 г.). Система АЛС-ЕН относится к новому поколении высокоэффективных современных микрозлектронных систем по управлению диижендем поездов. Вводона в эксплуатации с 1983 года.

2. Мжрощюцессорнэл система автоматической локомо*г;т.чой сигнализации и автоматического управления тормозами АЛСЕ-САУТ,

разрабатываемая ' по заданию МПС. АЛСЕ-САУТ является первой в стране микропроцессорной системой, устанавливаемой на борту локомотива и предназначенной для решения задач, связанных с обеспечением безопасности движения поездов. Проилз опытную эксплуатации на экспериментальном кольцо ЕКИККГа.

3. Микропроцессорная система автоблокировки АБ-Е1, разрабатываемая по задании МПС и входящая в единый ряд мгафоэлектрошшх систем а устройств для автоматизации процесса управления движением пооздов на диспетчерском участке зэлезной дороги. Находится в опытной эксплуатации на одном из участков Московской железной дорога.

4. Бесконтактный кодовый путевой трансмиттер БКПГ. Серийно выпускается Саратовским электротехническим заводом. При разработке использовано а.с. N 779141.

Результаты диссортациояноа работы внедрены в учебный процесс при подготовке студентов по специальности •• Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте" и включены в учебную программу по курсу "Теоретические основы железнодорожной автоматики я телемеханики" и "Основы теории надежности устройств автоматики, телемеханика и связи".

Апробация работы. Основные полегания диссертационной работы докладывались и обсуждались на

международных симпозиумах по электромагнитной

совместимости в г.Вроцлав ПР 1390, 1992 гг.;

научно-технической конференции электромагнитная

совместимость технических средств, Санкт-Петербург 1992 г.;

научно-технической конференции, посвященной бо-летию КИУГа, Новосибирск 1992 Г.;

3-й Зсесошный научно-технической конференции

"Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного

транспорта", Омск 1991 г.;

Всесоюзной научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость судовых технических средств", Новороссийск, 1990г.;

Всесоюзной научно-технической конференции "Метода и средства диагностирования технических средств гелезнодорожного транспорта", Омск 1989 г.;

Всесоюзной научно-технической конференции

"Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта", Москва, 1989 г.;

Всесоюзной научно-технической конференции с участием специалистов социалистических стран "Проблемы повышения надежности и безопасности технических средств железнодорожного транспорта". Москва, 1988 г.;

Всесоюзной научно-технической конференции "Метода и средства борьбы с помехами в цифровой технике''.Вильнюс, 1986,1990 гг.;

Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности транспортных систем'и технологических процессов", Гомель, 19S9 Г.;

Республиканской научно-технической конференции ■ "Пути повышения эффективности использования подвижного состава", Гомель, 1983 г.;

Отраслевой научно-технической конференции "Роль молодых ученых и специалистов в развития научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте", Москва, 1984 г.;

Межведомственном семинаре "Радиоэлектронные и

микропроцессорные системы обеспечения безопаности движения транспорта". Москва, 1989 г.;

г заседаниях кафедр "Автоматика и телемеханика на аюлазнодорожном транспорто" БодЮЖГа и МИИТа;

Публикации. По томе диссертационной работа опубликовано 27

печатных работ, в том числе получено 5 авторских свидетельств на изобретение.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Сна содержит 251 страницу основного текста, 70 иллюстраций (на 55 листах), ю таблиц, список литературы из 282 наименований и приложение на 69 страницах.

Внутренне единство и взаимосвязь всех пяти глав диссертации базируется на функциональных вероятностно-статистических моделях ЭМС,- 'предложенных на основа системного подхода и связывай^ показатели ЭМС с параметрами помех реальной ЗМЭ, помехозаззсденностьв микроэлектронных СОЗД и безопасностью ах функционирования.

3 первой главе на основе анализа материалов по проблеме ЭМС выполнено теоретическое обобщение и определено место

проблемы ' ЭМС СТП, и, в частности, ЭМС

микрозлектронных СОБД в общей проблеме ЗМС технических средств. Приводится характеристика микрозлектронных ССЗД как объекта исследования. Дается анализ разработок теоретических моделей и Практических методов контроля и анализа ЭМС в различных с-Фзрах народного хозяйства и формулируются цел;! и задачи исследования.

Вторая глава самая большая по объему (79 стр.) является основополога;сс;ей в разработке теории и методов контроля ЭМС микрозлектрогинх СОБД. В ной всесторонне исследованы и проанализированы предложенные функциональные вероятностно-статистические модели ЭМС для известных на практике сочетаний законов распределения уровней помех и помехоза'ди^енности устройств. Установлена взаимосвязь показателей ЭМС и безопасности фуякцдо'сарованая макроздектрояных СОБД. Подучены аналитические выражения для определения вероятности сбоя

млкро электронных СОБД к среднэго времена наработки на сбой дяя статических и динамических моделей ЭМС.

Дяя репения проблемы контроля и анализа ЭМС микроэлектронных СОБД на основе функциональных вероятностно-статистических моделей в третьей главе обоснованы и сформулированы требования к аппаратурнмм средствам исследования параметров ЭМО к помехозащацэндаста устройств. На основа сформулированной и доказанной теоремы об эквивалентности импульсов помех различной формы и полученных соотношений их параметров для девяти импульсов реиенв также вакная задача по идентификации результатов испытаний на помехозащищенность различными имитаторами помех и упрощения их построения.

В чотвертой главе, опираясь на теоретические результата второй главы, разработаны методы нормирования параметров ЭМО и помехозавдэшгости микроэлектронике СОБД, исходя из обеспзчешш задашюго уровня их безопасности. Б этой кэ главе разработаны методы многофакторных исследовательских испытаний на помехозащищенность с привлечением аппарате тоорш планирования экспериментов. Выполнен анализ требований когвдународного стандарта и сформулированы рекокондацкз по устранению его недостатков.

Для реализации разработанной теории- в пятой глзиэ разработана квтодологкя и аппаратурной обеспечение кот-ролл и анализа ЭМС микроэлохтронпых СОБД нз всех этапах их азгопвнного цикла. Приводятся тэхннчоскьо характеристики комплекса аппаратуры по контролю и анализу ЗМС. Рассмотрели таю;» вопроса оптимизации нормируемых параметров ЕУС по критерия стоимости и обеспечения заданного уровня безопасности -функционирования ЮШрОЗЛОКТрОЕЕШХ СОНД.

В приложении приведены протоколы нсследовання параметров

«

ЭЫО и помэхозадвдонэостя различных микрозлектронных выполненные с помощь» разработанной аппаратуры.

созд.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность ресения проблемы обеспечения ЭМС микроэлектронных СОБД, разработки для этой дели теории и Методов контроля ЭМС на всех этапах жизненного цикла этих систем, сформулированы цели работы, перечислены задачи и направления выполненных исследований, определены основные положения выносимые на зациту.

Проблема ЭМС возникла как проблема борьбы с радиопомехами и первые статьи по отдельным аспектам радиопомех относятся к 30-40 годам как у нас в стране, так и за рубежом.

В семидесятые годы, когда в средствах вычислительной техники начали широко использоваться микроэлектронные элементы, возникла и проблема обеспечения их нормального функционирования в условиях воздействия помех, т.е. начало формироваться направление ЭМС средств цифровой вычислительной техники (СЦЗ?).

С началом широкого использования вычислительной техники в системах управления различными технологическими процессами проблема ЭМС обостряется и принимает новые аспекты, связанные с наличием устройств связи с объектами и значительным числом линий передачи дискретной информации, что нашло свое отражзниэ в направлении ЭМС А.СУТП.

3 связи с ростом в последнее десятилетие аварий и катастроф, из-за отказов и сбоев в слсешх многофункциональных системах управления, начинает выделяться в самостоятельное научно-техническое направление проблема ЭМС ответственных технологических процессов (СГП). Особую важность влияния проблемы ЭМС на безопасность СГП отметил на пленарном заседании

X юбилейного симпозиума по ЭМС во Вроцлаве известный специалист профессор Пенсильванского университета США А.М.БЬоиегз.

На железнодорожном транспорте безопасность движения поездов призваны обеспечивать системы СЦБ - сигнализации, централизации и блокировки, которые исторически были первыми автоматами безопасности, а в настоящзе время является самыми массовыми. Системы СЦБ являются системами обеспечения безопасности движения поездов (СОБД).

Первый опыт применения микроэлектронной элементной базы при построении СОБД показал, что от степени решения проблемы их ЭМС с окружавдей • электромагнитной обстановкой во многом определяется эффективность их функционирования.

Основной отличительной- особенность» микроэлектронных СОБД являются предъявляемые к ним повышенные требования по надежности и безопасности функционирования. Проведенный в работе анализ особенностей микрозлэктронных СОБД как объекта исследований по сравнению со СЦВТ, АСУТП, РЭС показал с одной стороны, что совокупность всех особенностей микроэлектрошшх СОБД позволяет нх выделить в отдельный класс систем гребущих разработки нового подхода в теории и методах контроля ЭМС, а с другой стороны микроэлектронике СОБД достаточно репрезентативно могут представлять системы управления ОТП в других областях народного хозяйства.

Определение. Электромагнитная совместимость

мякроэлзктронных систем управления ответственными

технологическими процессами определяется способностью микроэлектроншй аппаратуры или системы функционировать с заданными параметрами надежности и безопасности при воздействии электромагнитных помех определенного уровня и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим мякроэлектрошым. в

том числе и радиоэлектронным, системам.

Таким образом, в отличии от определения ЭМС РЭС и ЭМС СЦЗТ это определение предполагает непосредственную связь наиболее важных показателей эффективности функционирования

михрозлектронных систем управления ОТЛ с параметрами ЭМС, налагает требования нормирования как уровней электромагнитных помех, так и степени помехозащищенности микроэлектрошшх систем при условии обеспечения задапннх показателей надежности и безопасности.

Системный подход к решении проблемы ЭМС требует расчета, принятия аффективных организационно-технических мероприятий и контроля показателей ЭМС на всех стадиях жизненного цикла мшсроэлектронных СОБД. Причем параметры ЭМС следует рассматривать во взаимосвязи с показателями эффективности ССЗД с точки зрения выполнения ими основных задач, связанных с обеспечением безопасности функционирования и оптимизации процесса движения поездов.

Наиболее эффективные метода рэсеяия проблемы ЭМС на всех этапах и, в особенности, на этапе проектирования н задания уровней нормируемых параметров ЭМС моею осуществить на основе математических моделей ЭМС. Учитывая, что помехи д,1я микроэлектронных СОБД создает множество разнообразных источников со стохастическими параметрами и сбои микроэлектронных СОБД таказ носят случайный характер, модели ЭМС должны основываться на аппарате теории вероятностей и математической статистики.

Анализ существующих математических моделей в области ЭМС РЭС, СЦВТ и АСУТП, выполненный в первой главе работы показывает, что они в основном носят односторонний характер, связанный с исследованием и нормированием помехозащищенности

устройств ;i не учитывают возможности нормирования i' согласования норм как на степень помехозащищенности, так и it; уров-га помех исходя из заданных условий обеспечения надожносч и безопасности функционирования систем управления ОТП.

Вторая глава диссертации "Математические модели контроля ЭМС микроэлектронных СОБД. Статический и динамический подход" является основной в разработке теоретических вопросов контроля и анализа ЭМС систем управления ОТП.

Рассмотрим обиде принципы построения функциональных вероятностно-статистических моделей ЭМС.

Любое устройство михрозлектронных СОБД могно характеризовать множеством параметров А. = ,Х2,.. .Xnj- ^У^, например,

электрических, механических, условий эксплуатации и т.д." Обозначим множество различных внешних факторов, например, механических, климатических, электромагнитных воздействий, радиационных, биологических и др., через в=/у1,уг,.. .Ут| го-п. В общем случае множества А и В могут пересекаться образуя множество А^В.

m

Выделим из1У1Х1-множества всех возможных параметров ьякроэлектронного устройства СОБД подмножество параметров, характеризующих его ЭМС и обозначим его как к=-|х1,х2,... .хЛ =

к га ' ^ ^

=tytX , к<п. А из множества видел;»! подмножество

H=/y ,y ,... ,y 1, U y , р<ш, y В, характеризующее парамотры

112 р I х — 1 v р

внешней электромагнитной обстановки. Множества к и R также пересекаются, образуя множество s=NflR , Бел . SeB.

Основываясь на выводах . теоремы,сформулированной и доказанной A.M. Костроминовым, об эквизвлентности параметрически пространств ЭМО и помехозащитных средств из множества

Г\

Б можно выделить группы параметров .....Уг, Х1.Хг.....Хг,

г<к, г<р одновременно характеризующих как уровни ЭМО, так и уровни помехозащищенности устройств. Причем, &сли величина уровня помех по одному из параметров превысит уровень помехозащищенности по данному параметру - Х1_>0, . .г, то произойдет событие сбой.

Таким образом аз множества можно выделить

подмножество сбоев иакрозлектронных устройств элементами которого ' будут соотношения 2 >о. 1=1...г,

Б ={г .....г \ = и г , ■ & «Б, Б «л, Б е л.

С 1 1* г' Г| 1=1 V" С * с с

3 общем случае множество параметров определяет об-

ласть допустимых параметров сбоев. Все множество сбоев микро-

г

электронных СОЗД Б^у \ подразделяется на подмножества парируемых сбоев, не приводящих к нарусегпэ выполняемых ССЗД функций Бд, и на подмножества сбоев, приводящее СОБД в за'дэтноэ Ба или опасное состояние Бо. При этом Б.= Бя1Бз1Бои .

Определение. Парируемый сбой - событие, . оаклзчахдеося в кратковременном нарушении выполняемых функций, которое парируется системой или устройством без нарушения условий безотказности.

Определение. Система обладает способностью парирования сбоев, если в ней можно выделить не пустой набор 'элементов, ■ сбои- которых не вызывает сбоя системы или имеется достаточный промежуток времени для выполнения временной селекции сбоев и восстановления алгоритма функционирования;

Определение. Защитный сбой - событие, заключающееся в кратковременном нарушении выполняемых функций, которое не может быть парировано системой и приводящее ее в защитное состояние .

Определение. Олас:шй сбой - событие, заключающееся в

кратковременном нарулзних работоспособного и защитного состояния и несуще о потенциальную угрозу обеспечению безопасности движения поездов.

Однако не всякий опасный сбой приводит к катастрофическим последствиям, поскольку это возможно только при стечении следующих обстоятельств: 1. Наличие опасного сбоя; г. Наличие опасной поездной ситуации; 3. Кепарировениэ человеком, находящимся в контура управления, опасной ситуации. При условии независимости этих событий вероятность опасной катастрофической ситуации можно определить из следующего выражения

р _ р . р . р м }

ок~ осб опс нп'

где Росб - вероятность опасного сбоя; Ропс - вероятность присутствия опасной поездной ситуации; Рщ, - вероятность непарирования человеком опасной ситуации.

К потенциально опасному состоянию СОБД может привести либо опасный отказ, либо опасный сбой, поэтому вероятность опасного состояния СОБД можно определить как

ро= роо + росб' (2)

где Р00 - вероятность опасного отказа СОБД;' Рос0 - вероятность

опасного сбоя СОБД.

Для того, чтобы найти значение Р0 необходимо разработать методы расчета к контроля значений Рос(3, которая является одной из задач контроля ы обеспечения Э,МС микроэлектрошшх СОБД.

Множества и и 1< во времени представляют собой многомерные случайные процессы, а в сечениях случайных процессов многомерные функции распределения случайных величин У и х^. Если из многомерных случайных процессов н{у._,1;), и^Д) и многомерных фу-пщай распределения уровней помех г^ ) и степени лошхозэ-щвдошости ) устройств выделить одноименные опрэдодявсдаэ параметры, то задача определения Рсб сводится к наховдени» заО

ВИСИМОСТОй

рс0=г|[гм(у), гк(х)] с б}. (3)

где 5 - область сбоев микроэлоктропных устройств.

Ка основании зависимостей (3) в работе приводятся 14 общих выражений для определения вероятности сбоев мжро электронных устройств вне зависимости от видов законов распределения случайных величин уровней помех и степени помехозащищенности устройств в сечеггиях случайных процессов. Причем все общие выражения для опроделэг-гая и ? ^ ведут к получению

одинаковых результатов, а выбор конкретного из ;их определяется простотой получения конечного результата.

Приведем выражения для получения значений вероятностей сбоев Рс0 устройств при различных сочетаниях законов распределения давней помех, имеющих мэсто на практике, с нормальным и усеченно-нормальным законами распределения степени помехозащищенности.

При сочетании нормальных законов распределения уровней

помех и степени помехозащищенности ?сд равно

X - 1

рсб = 2 - +

(4)

где 4> - нормированная функция Лапласа; коэффициент запаса

по помехозащищенности; V , Ун - коэффициенты вариации величин ' уровней помах и степени помехозащищенности.

Для сочетания логарифмически - нормального закона., распределения уровней помех и нормального - помехозащищенности Рс(5 равно

?сб Ч - ♦

и* - к.

(5)

УЗ* +

где , - математические ожидания распределений уровней помех а помехозащищенности; дисперсии распределений

уровней помех и помехозащищенности.

А в сочетании с усеченно-нормальным законом распределения помехозащищенности Рс{5 равно

р -1 сб 2

Ф

-ф

е с

0../21сМ

ГШж-Л,

<12 (6)

где а, Ь - пределы изменения распределения случайной величины степени помехозащищенности.

При сочетании усеченно-нормальных законах распределения уровней помех и степени помехозащищенности Рсб определяется выражением

Ф

■ Л „ . .

К и N

- Л!к2+ VI ') I у! ' )

гсб.

Ф

Ф

i v2

1

(7)

-к

Я и N

Рс0 для случая сочетания распределения уровней помех по закону Бейбулла, а помехозащищенности по нормальному и усеченно-нормальному законам соответственно равны

1

рсЗ =

гоб=

1

э е сЗх,

" -(х-Цв)г/<2а*) -хЯ/хо

м - ф 0»

----[е

С12. (9)

где гои а - параметры масштаба и формы распределения Вейбулла.

Для сочетания распределения уровней помех по закону Релэя, а помехозащищенности по нормальному и усеченно-нормальному Рсб можно определить по следующим выражениям

об

езф

Г к" ,

/ N Я и

. (10)

рсб = ехР

1

1

/ЯГ

eap(-Z/2)dZ .

(И)

гда

/iw

_ / N К

№

2 t 2

а +сг

N я

При экспоненциальном законе распределения уровней помех в сочетании с нормальным и усеченно-нормальным - помехозащищенности Рс(5 равно

Роб = е

о. s<2K -V*K2> ,,

R u I 1 .

1г + Ф

П-гк

й а

оО~

г - ф

О» 1

■ ф V ■ь «и**

-о. 5<гриА,-\ Or>

(12)

(13)

Вероятность сбоя устройств Рсб при Гамма-распределении уровней помех- в сочетании с нормальными и усеченно-нормальным законами распределения степени помехозащищенности определяется из выражений *

об " ГШ

К

J"

О

Роб - HCVV^ = )

bp

ds

(14)

Г(р) И^1

ф а* J - ф J

J

Ф

а-

dx, Z = (х-рв)/оя

(15)

гдэ b, p - параметры Гамма-распределения; Г(р) - Гамма-функция, Для scex рассмотренных законов распределения уровней помех з работе получены таю;® выразэвия вероятности сбоев ■ в случае вели степень помехозащищенности является величиной фикс-тровзя-пой. Это имеет место при контроле и анализе ЭМС для единичных сгатзых образцов, когда не имеется воздазлости получения стгтис-тн;си распределений для выборки.

В статилческих • моделях определения вероятности сбоев устройств отсутствует фактор времени, что не позволяет определить такой параметр как вероятность сбоя за определенный промежуток врокени. Для устранения этого недостатка в работе продлозец метод определения РсД(1) за счет учета значений интенсивности следования помех определенного уровня.

Анализ функциональных вероятностно-статистических моделей ЭМС позволил сделать следующие вывода:

1. Вероятность сбоев Рс0 растет при увольнении коэффициента вариации случайных величин Хм, Хр и падает при увеличении коэффициента запаса по помехозащищенности.

2. Наименьше значения Рсд имеют место при композиции нормальных законов распределение уровней помех и фиксированном значении помехозащищенности. Так например, значение Рсб при

= 2,0 Ум = о.з тк = о,1 для композиции нормальных законов равно ?с0 = 2,8 * ю"э, а при тех же дашшх и фиксированном значении Хи ТгП = 4,34 * ю"* т.е. отличается почти но порядок.

Такая зависимость требует с одной стороны весьма осторожного отношения к оценкам Рсб при фиксированном значении степени помехозащищенности Х^, поскольку может возникнуть иллюзия успешного решения проблемы ЭМС, которая не подтвердится опытом эксплуатации из-за неучета разброса значений случайной величины хк. С другой стороны это вызывает необходимость определения значения х^ с высокой точностью для тех случаев, когда не представляется возможным получение достаточного статистического материала для случайной величины хк.

3. Композиция усеченно-нормальных законов распределения дает более точные результата чом при нормальных законах. Однако при небольших величинах коэффициента по иомсхоза'женности ки= 1 - 1,75) значения Рс0 различат«! незначительно.

4. Пр;т экспоненциальном законе распределения уровней помех, дг.<; которого коэффициент вариации равен VN = 1, имеит место паибольпие значения вероятностей сбоя устройств.

Наиболее точные оцешси дяя вероятности сбоя устройств за время t и среднего времени наработки на сбой можно получить рассматривая динамические модели ЭМС с позиций теории случайных процессов.

В работе полученн виргжз:гая для определения параметров ЭМС при всех рассмотренных вино сочетаниях распределений в сочениях стационарных случайных процессов уровней помех XM(t) и монотонно убывающих по фуккц:ги (p(t) равномерных нестационарных линейных процессов степени помохоза'цшцешоста С t)

Случай I, PG6(t) и "Cp для нормальных заколов распределения уровней помех и степени псшхо.^аапцеаноста в сечешшх случайных процессов ^ (t) н Хн (t) равны

сб

(t)=

Ru(t) - 1

ср J

Vt> - 1 )

"JJ

at

(is)

(17)

.Случай 2. Pccj(t) дай сочетания логарнфмическн-зсрчального и нормального законов распределения в сечениях случайных процессов XH(t) и XR(t). .

сб

(t)-4 - ¿>

¡jROq>(t)-(crp(|iH

(13)

(t)+ (ехр ) (orpc£0~ 1) J

Случай 3. PccJ(t) для сочетания логарифмически-нормального и усочешо-нормрльного законов распределения в сечениях случайных процессов x^tt) и Xa(t).

Ь-^о

Г7Г-

ь<р< ь >

1 Г

-. езт>

' <хф< I >

(ГЭ)

Случай 4. Р^^ (1*) для сочетания усеченно-нормальных законов распределения в сечениях случайных процессов хыШ п

1 - к,(г)

. А* к2шяг;

_ 4 у и N

- 4

■Ьф(Ь)-сфТТ1

К,

I

. (20)

Случай 5. ?с0(1) для сочетания распределений по законам ВейОулла, нормальному и усеченно-нормальному в сечениях случайных процессов хы(г) и х,^ (г).

ро0<*> " ьср< I >

егр

"^ЙГ

20Ш 1

ехр^- (21)

14

т (

1-их

* оф< г >

(22)

Случай 6. Рсб С г) для сочетания распределений по законам Релея. нормальному и усочонно-иормалыюму в сечениях случайных процессов Х^-Ь) и Х^-Ь).

Роб(1) -охр

к Ш_Ч

г + ф

ко.

(23)

кк С -ь и,

N0

*сГ'

0 и а С V N0

V Гер о' V _

ко ко ) НО N0 КО

п - 1"

-> ■ ^н о . у

КО

т-;;э с = •

г у НО и N0

Случай 7. РоС5С^) для сочетания экспоненциального, нормального и усеченно-нормального законов распределения в сечениях случайных процессов Х^*;) и Х^-Ь).

ы*(-4к >)] [н(1 ^ • (25)

гоб

(Ю =

^но

-1

- ф

-1

х ехр

(-гК^К.*;^))] ■

(26)

Случай 8. Р0Сз(Ю для сочетания гамма-распре долепил, нормального и усочолно-нормального законов распределения в сечениях случайных процессов ях^Ц,

со

ГЦ,

(+0е

-Ъх «ч >

ах (г?)

Г(р)Ф

со

Ь~Ч - Ф а-и

а Ф во J

.«"НЙ'

азе.

(23)

Для статических и динамических моделей Э'ЛС в работе приводится последовательность определения контролируемых параметров ЭМС.

С учетом системного подходз к ресеяив проблемы ЭМС. обоснованного в первой главе, и для реализации методов контроля и анализа ЭМС па основе фупкциоЕчльнах вэрсптностно-статисглчбс-ких шдолой, необходимо тлеть с одной сторона ггпгратуру исследования параметров ЭМО. а с другой стороны, аппаратуру мздели-- 9 -

рования помех для контроля и определения степени пошхозещи-щеиности макрозлектронных СОБД. Однако такая аппаратура в настоящее время ни в России, ни в странах СНГ. серийно не производится, что существенно осложняет решение проблемы ЭМС мжроэлоктронных ССБД.

На основе анализа большого количества материалов как наши, так и зарубежных авторов в третьей главе работы сформулированы требования к аппаратуре исследования параметров ЭМО и аппаратуре моделирования помех, которые были положены в основу реализации такой аппаратуры. С целью формирования требований к аппаратуре моделирования импульсных помех был выполнен анализ процесса коммутации индуктивной нагрузки, который по экспертной оценке .специалистов из 20 ведущих электронных фирм Японии является наиболее значимым источником импульсных помех.

При анализе требований международных стандартов, стандартов различных фирм и стран к методам и средствам испытаний на помехозащищенность по отношению к импульсным помехам,детально проведенном в 1 главе, показано, что стандарты предписывают испытания одиночными импульсами и пачками импульсов помех с различной формой импульсов прямоугольной, экспоненциальной, трапецеидальной и другими.

Фирмам различных стран таким;! как Soha.iiner.Heyieli, Keytek,Noise Laboratory Co и др. и различными организациями и предприятиями в республиках бывшего СССР выпускались

имитаторы и опытные образцы имитаторов, моделирующих, в соответствии с требованиями стандартов, импульсы помех различной формы.

За время работы с такими имитаторам;! помех накоплен значительный статистический материал по исследованию аомехозащл-

¡ценности, который трудно сопоставим друг с другом из-за моделирования ими импульсов различной формы.Поэтому для идентификации результатов испытаний различными имитаторами помех необходимо иметь условия эквивалентности импульсов помех различной формы.

Для решения этой задачи вначале необходимо определить какие импульсы можно считать эквивалентными, а затем получить конкретные условия эквивалентности импульсов помех различной формы, выраженные через соотношения их параметров.

Теорема. Если выходные сигналы одной и той жэ линейной цепи с импульсной характеристикой g(t) на воздействие двух сигналов различной формы Xt(t) и Х2(t) совпадают y(t) = yt(t) = y2(t), то входные сигналы >:t (t) и x2(t) являются эквивалетными по своему воздействию.

Доказательство. Пусть мы имеем линейную цепь, динамические свойства которой полностью определяются импульсной характеристикой g(t) пли частотной характеристикой G(x), связанных кэаду собой парой преобразования Фурье.

Из условзга теоремы известно, что выгодные сигналы линейной цепи во временной а частотной области y(t) и Y(X) на воздействие импульевчх сигналов различной формы (t), s2(t) или Xt (X), X2(X) совпадают, т.е. yt(t)=y2(t)=y(t) и Yt<г)=Уг(X)=Y(X).

Из спектрального метода классической теории линейных цепей известно, что выходной сигнал линейкой цепи во временной области может быть найден в впдо свертки входного сигнала во временной области и импульсной характеристики цепи или в виде произведения входного сигнала в частотной области на частотную характеристику цепи. Тогда, в соответствии с условие;.: теоремы можно записать

y(t) = I^t^gd) = 3CE(t)*g(t) , (23)

Х1(Г)С(Г) = Х2(Г)С (£) . (30)

Но равенства (29) и (30) для одной и той жэ линейной цош могут выполняться только в том случае, если два сигнала различной формы xl(t), зг(1;) или х^г), хг(х) будут эквивалентными по своему воздействии на линейную цепь, что и требовалось доказать.

В работе показано, что необходимыми и достаточными условиями дяя обеспечения эквивалентности воздействия импульсов различной формы являются равенство их активной ширины спектра и полных энергий.

В таблице приведены условия эквивалентности для девяти импульсов различной формы по отношению к прямоугольному. Справедливость полученных условий эквивалентности подтверждена экспериментально и теоретически на основе выводов теоремы.

Одним из важных этапов решения проблемы ЭМС является установление норм на параметры ЭМС и контроль их обеспечения. Рассмотренные в первой главо международные, национальные н отраслевые стандарты устанавливают нормы на отдельные параметры ЭМС исходя из принадлежности испытуемой аппаратуры к определенному классу или условий их эксплуатации, но не учитывают численные параметры ЭМО в мостах эксплуатации аппаратуры и эффективность ео функционирования.

Функциональные вероятностно-статистические модели ЭМС позволяют осуществлять заданно норм на параметры ЭМС с учетом значений конкретной ЭМО, , что особенно важно для шкрозлектрошых СОБД, поскольку занижение требований к параметрам ЭМС ведет к повышению стоимости аппаратуры, а занижение требований увеличивает вероятность нарушения условий ' безописнос-ти функционирования устройств.

Суть методов установлении согласованных норм на степень

1 Фо<=мг» 1 ИМП'Мо C¿ Функция Аремени Эн^ГИЯ аыпулоса ^fo.g-з 'УС ЛО ft и я оклиьоленпности

Л, 7! t>- A' t„a 1.А- 1.AI t„a ("f А1 A n = -Аэ LO. 71 п = t„a

2Лт г-T, ^ 2 Дт , -%}<t<?L г 2 г - гч ' г^4- 2 0.9 г = Ат [O.ístn* t-хм f =0.5

». 39 "тГ M. г An = Ат 10,79-Jtn^ T ДЛ» $ = 0.&

ti>a Г (•h\ O.S6i6A',t.M 09 ff.6An = Ab A л я t® Д * 0.2 t„d

t к 4 h < 3 7 t«o (USA n = 4 (.0.66 S t„ «t„rt для Toa » 0,1 t

i Acos г Аг1» 0. 9А-+ и (2.06 5 An -- A 10.47 t n t и

А 51,, "-и j2. 16 3 Ап = A l 0. 5 7 t n - t и

х р Ас 05* (i г - 1 < -t < у • Л , - "Ц <-1 <-t! 0.ба75/,2Г 1,07 |Ч 7 Ар. = A (.0. 5015 1„ »T для f = 0.5

0.375 A4 1,59 'о f 1. 2 An - Л LO. "">5 tn =T для ^ = 0. S

M 0 , ! t 1 > ? i. г. i (2. 19 A n = A lû.ôo otn-T

Ьк> -fit,a P-i- К---1 k A (е'ДС- û,752A!t лЗ t.2-й t иа fi. Ai A„ , A i 0.6 A tn=tni ¿.Tí ' i = W í ~ ^ ¿

if ¡ tnэ Üfeä*- -«ft Ae Д 7 1 1 ; w Hi "-1 * ' -

помехозащищенности устройств для различных сочетаний законов распределения уровней помех и помехозащищенности в сечениях случайных процессов заключается в следующем.

Задается значэнкэ величины среднего времена наработки на опасный сбой, которое для микрозлектрошшх СОБД должно быть по крайней мэре не ниже среднего времени наработки на опасный отказ. Затем на основании величины tCp 0 с0, по методам разработанным во второй главе, определяется значение величины вероятности сбоя устройств Pcq. Далее, например, для сочетания нормальных законов распределения случайных величин и и известной величины PotJ по выражению (4) определяется значениэ аргумента нормированной функции Лапласа.

а - " • W)

Тогда значение согласованной нормы для степени помехозащищенности при заданном значонии Роб и известных числовых характеристиках распределения ЭМО pN и оы определиться из выражения

Мь"» z + < " + Mw (32)

Аналогичным образом, в виде решения уравнения с од;им неизвестным, могут быть получены согласованные нормы для различных сочетаний законов распределения уровной помех и степени помехозащищешости в сечениях случайных процессов.

Для случая динамических моделей контроля Э.МС получение нормироваших значений степени помехозащищешости должно учитывать деградацию во времени числовых характеристик нестационарного случайного процесса степени помехозащищенности микрозлектрошшх устройств.

Так, например, для случая 1 при известной Функции <p(t) и известных числовых характеристиках стационарного случайного процесса уровней помех 'в сечении to моею определить соглясоваиную норму на величину отсишш

помехозащищенности на момент времени 1;0, которая обеспечит заданный уровень Рс(5 (^) при начальном значении оио по выражению

г / (о а>(1;)2 + о1 ' + ы >1 - 1 1,0 мо мо

--фШ (33)

Нормы на величину помехозащищенности устройств,

определяемые по приведенным методам, являются согласованными и контроль соответствия им обеспечивает заданный уровень надежности и безопасности функционирования микроэлектрошшх СОБД по отношению к сбоям в условиях реальной ЗМО.

В четвертой главе приводится также классификация испытаний на ЭМС. По целевой направленности испытания разделяют на две • группы - исследовательские и контрольные. Контрольные испытания производятся для проверки соответствия параметров ЭМС нормативным значениям, задаваемым соответствующими стандартами. Исследовательские испытания как правило проводят на этапе разработки микрозлектронных устройств с целью определения эффективности аппаратных и программных средств повышония помехозащищенности испытуемых изделий, изучения механизма воздействия по,чех, поиска и локализации "слабых" по ЭМС цепей и узлов, выделения наиболее значимых факторов ЭМО или их комбинаций, определяющих степень помехозащищенности микроэлектронного устройства. По результатам исследовательских испытаний определяются числовые характеристики параметров ЭМС испытуемого устройства и при необходимости разрабатываются научно-обоснованные рекомендации для доведения степени помехозащищенности устройств до нзобходамого уровня.

В работе показано, что исследовательские испытания на помехозащищенность, проводимые с. помощью аппаратуры моделирования лемех с целью оптимизации по стоимости и затратам орехэал сдюдует осуществлять с аспользованизч "ЭТСДСБ т&орцд плажгровзл.;л экспериментов 'ГГЭ. Рс-зрсботахл:» — 5 О —

на осново ?ПЭ методики мпогофакторнкх испытаний подтвердили свою высокую эффективность при проведении испыташй! на помехозащищенность мзшрззлоктронных систем АЛС-ЕН,

АЛСЕ-САУ?,, АВ-Е1. При разработке методики многофакторшх испытаний предложен мотод определения адекватности модели при реаении интерполяционных задач методами ТПЭ с использованием планов полного Факторного эксперимента типа 2К для случая, когда в уравнении регрессии оказываются значимыми большинство, либо все коэффициенты при факторах и их взаимодействиях.

Моделирование на ЭВМ и анализ требований международного стандарта 1БС-801-4 показали, что ого энергетический спектр близок к линейчатому. Эноргия.в спектре при этом распределена неравномерно по всему частотному диапазону, а это при опроделошшх условиях может приводить к ошибкам второго рода при проведении испытаний на помехозащищенность. В работо показано, что пачка импульсов с изменяющейся длительностью ближе соответствует реальному процессу коммутация индуктивной нагрузки, имеет более равномерный слактр и следовательно испытания такой пачкой являются более адекватными.

Для реализации теории и методов контроля ЭМС минроэлектроншх СОЗД, принципов построения аппаратура измерения и моделирования помех, методов

нормирования параметров ЭМС и мотодов многофакторних исследовательских испытаний на помахозач.тщошюсть необходимо иметь методологию контроля и анализа ЭМС на всех этапах жизненного цикла микрозлектрошшх СОБД, определить ' задачи решаемые лабораторией ¡им группой по ЭМС и иметь комплекс технических средств для решения этих задач. ймшгае зтхч вопросам и шевящона пятая глава диссертации "\1отодологнч..окоо

и аппаратурное обеспечение контроля и анализа ЭМС микрозлектронных СОБД на этапах жизненного цикла".

Как следует из проводимых исследований и накоплошюго опыта в других отраслях народного хозяйства контроль и анализ ЭМС микрозлектронных СОБД представляет собой сложную научно-техническую проблему, не имвадуп простых решений. Важной частью общой методологии создания высоконадежных микроэлектрошшх СОБД должна быть программа работ, определяющих комплекс организационных и технических мероприятий по контролю и обеспечению требований ЭМС на этапах проектирования, конструирования, производства, испытания и эксплуатации изделий. В * работе показано, что в рамках концепции о сертификации микрозлектронных СОБД на безопасность и в соответствии с международными требованиями и требованиями ГССТ должна производиться и сертификация изделий по ЭМС.

Реализация всей совокупности теоретически и практических методов контроля и анализа ЗМС микроэлоктронных устройств на всех этапах их жизненного цикла невозможна без аппаратурного обеспечения. Под руководством и непосредственном участии автора на протяжении ряда лот разработан и изготовлен комплекс аппаратуры для решения проблемы контроля и анализа ЭМС микрозлектронных СОЗД.

Комплекс аппаратуры состоит из измерителя параметров импульсных помех, измерителя-имитатора длительных помех, имитатора импульсных помех, пробника для экспресс-анализа ЭМС, специализированного гибкого видеотерминала. а также мхсроЭЗМ, имо;хдей интерфейс т;ша 1ЕЕВ-433. На михроЭЗМ возлагаются задачи обработки информации по данным исследования па; .мэтров ЗМС и помехозащищенности устройств определение чг.слс-^шх значений вероятностей сбоя устройств в соответствии с

функциональными вероятностно-статистическими моделями ЭШЗ, расчета и оптимизации характеристик помехозащитных средств.

Приводом кратко основные характеристики некоторых приборов комплекса.

Измеритель параметров импульсных помех предназначен для исследования параметров ЭМО в сетях питания, а также интерфейсных линиях устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. В измерителе помех имеется возможность выбора вручную нижнего и верхнего пределов измерений по амплитуде и длительности с. последующей автоматической разбивкой выбранного диапазона на ю интервалов. Измеритель производит сортировку и запоминание параметров измеренных помех с возможностью вывода информации по интервалам на табло прибора, а также по запросу на табло видеотерминала, либо в микроэвм для последующей статистической обработки.

Основные технические характеристики измерителя:

1. Число уровней квантования по амплитуде - ю

2. Диапазон значения нижнего предела измерения по амплитуде 0......900 В

3. Диапазон значений верхнего предела измерения по амплитуде юо ....... юоо В

■ 4. Число интериалов амплитуды - 10

5. Интервалы измерения длительности помех - 0,1-99 икс

6. Число интервалов длительности - 10

7. Максимальное количество помех в интервале - 256

8. Входное сопротивление - 0,5 ЫОм

9. Питание 220 В или аккумулятор 12 В.

Измеритель п имитатор длителышх помех предназначен для измерения и имитации параметров провалов и перенапряжений в однофазной сети гштапно 220 В, 50 Гц. Позволяет проводить испытания в соответствии со стандартом 1ЕС. Измеритель и имитатор конструктивно выполнены в одном корпусе, что позволяет во вромя проведения испытать! контролировать задаваемые параметры измерительной частью прибора. Прибор автоматически блокирует входное устройство при переполнении одного из интервалов измерений и может работать длительное ир^мл в

-за-

рехшэ измерзши без участил оператора. В разработке прибора

использовано A.C. N 1580262.

Основные технические характеристики:

1. Номинальное напряжение в иссследуемой сети - 220 В. Частота - 50 Гц.

2. Числа уровней квантования при измерении провалов - 8.

3. Число уровней квантования при измерении перенапряжений - 4.

4.Динамический диапазон варьирования значений максимального напряжения во время имитации перенапряжения -245...330 В.

5. динамический диапазон варьирования значений минимального напряжения во время имитации провала - 0....185 В.

в. диапазон измерения и имитации длительности процессов -

0,01.....1,28 С.

7.Питание запоминающего' устройства - автономное. 3. Фаза начала процесса имитации по отношению к сети -О____180*.

Имитатор импульсных помех предназначен для моделирования

одиночных и пачек импульсов помех в сетях питания и

интерфейсных линиях • мякроэяоктроншх устройств. Позволяет

проводить испытания на соответствие стандарту IEC 801-4,5 и IEC

255-4, а также благодаря возможности варьирования параметрами

помех в широком диапазоне осуществлять поиск "слабых" по ЭМС

мост к оценивать количественно эффективность

f.

помэхоподзвлявдих средств. Благодаря этим качествам имитатор помех может использоваться для решения проблемы ЭМС на всех стадиях жизненного цикла минроэлектронннх устройств. Момент посылка одиночной или пачки помех может быть синхронизирован как с нолебанияш в сети питания, так и с тактовой частотой испытуемого устройства. При разработке использованы A.C. 922802 и 1287200. Следует отметить, что в отличие от имитаторов помех строго соответствующих требованиям стандарта шз soi, в ток числе и вгаускаэмым известным зарубежными фирмами Noise Laboratory Со LUD Япония, ßohafiner electronic AG Швейцария, Keyïek CHX разработанный амктатор помех позволяет устранить недостатки требований стандарта ХЕС путем мододаровзк.м лачки помех с изменяющейся длительности) гмаульсов в пачке. к рода того, d

имитаторе с помощью дополнительных приспособлений имеется возможность моделирования сильных локальных электрического и магнитных полей, в соответствии с требованиями

1ес-301-6, гес-801-8.

Основные технические характеристики имитатора:

1. Амплитуда импульсов помех - О-ЮОО В

г. Длительность - 0,1; 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 50,0 мкс

3. Форма импульсов - экспоненциальная

4. Вид помехи - одиночная, пачка

5. Число импульсов в пачке - 2-8 шт.

6. Частота следования помех - 1-100 Гц

7. Скважность импульсов в пачко - 1,1-1000

При использовании в качестве коммутирующего элемента высоковольтных высокочастотных мощных транзисторов или специального блока формирования число импульсов в пачке увеличивается до 75.

В настоящее время законченна разработка и изготовлены макетные образцы микропроцессорного автоматизированного рогистратора-анализатора параметров ЭМО, позволяющего измерять параметры импульсных помех, провалов и перенапряжений, электрических и магнитных полей, температуры.

Для автоматизации процесса проведения испытаний на помехозащищенность разработаны и изготовлены также имитаторы импульсных помех, провалов и поронанрлжений с микропроцессорным управлегаем.

При разработка мнкроэлежтрошшх систем АЛС-ЕН, АЛСЕ-САУТ, АБ-Е1, проводимых на кяфодро "Автоматика и толемоханика на жолезшдорожиом транспорте" ШИТа авторам била реализована программа ' контроля и обоопечинля ЭМС этих систем, которая позволила получить ондпшшо параметры по ОМС, п-лд'пюрждйшшо результатов эксплуатационных испытаний. Программа вшшчала в себя теоретические расчйты параметров ЭМС, исследования характеристик ЭМО, проведение мшгофакторпих исследовательских испытаний на помохозащищбшюсть и разработку рекомендаций по

результатам исследований.

В пятой глава из основа поиска локальных оптимумов с помощью множителей Лагранжа разработан метод оптимизации параметров ЭМС по критерию стоимости и условию соблюдения задашшх требований по безопасности, имеющий важное значение в условиях перехода к рыночной экономике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ состояния проблемы ЭМС в различных областях техники и рассмотрение особенностей систем управления ОТП, характерным представителем которых являются микроэлоктронные ССБД показал, что проблема обеспечения, контроля и анализа их ЭМС выделилась в самостоятельное научно-техническое направление. В работе выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, совокупность которых составляет теорию и кетоды контроля и анализа ЗМС микроэлоктронльгх: СОЗД. ,Лри этом получош следующие основ!шэ научные результаты.

1. Показано, что основой теории и методов контроля ЭМС икроэл&ктрошшх ССБД должны бить .чатемэтнческие модели, учитывающие псра?^отры уровней ЭМО хз .".остах эксплуатации микроэлектроншх СОБД, степень их помехозащищенности и обеспечение заданного уровня безопасности .движения поездов.

2. На осповэвЕга мзтодоз теор:п мпо.тлетв определена гззяыоевлзь мтетдаства пар;:руе;.ах, защитшх п опасных сбоев с шожэств«с1 паргметроз уровней поггах и стопони помехозащищенности мякрозлектрошпд: СОБД. СЮрмулзрованы определения парируемых, зецитшк и опасных сбоев и лока^нэ их Функциональная связъ с харахтердстжами пздзжности и безопасности микроэлзктрепшх ССЗД.

3. Предложены .и научно обоснованы функциональные вероятностно-статистгнеские моде ли контроля и анализа ЭМС микрозлектрошх СОБД для наиболее часто встречающихся на практике законов распределения случайных величии Хми Хки типов случайных процзссов Х^(1) и X ¿г). При зтом получены аналитические выражения для определения значений вероятности сбоев устройств при распределениях уровней помех по нормальному, усеченно-нормальному, логарифмически нормальному, экспоненциальному, законам распределения Редея, Вейбулла и Гамма-распределением в сочетании с нормальным и усеченно-нормальном законам распределения степени помехозащищенности мироэлоктрокных СОБД в сечениях случайных процессов. Определен также метод получения значения среднего вромони наработки на сбой для статических моделей. Для динамических моделей получены аналитические выражения вероятности сбоев и сродного времени наработки на сбой при сочетаниях стационарных случайных процессов уровней помех х^и) и монотонно убывающих равномерных нестационарных линейных случайных процессов степени помехозащищенности микроалоктрошшх СОБД.

4. Исследованы зависимости контролируемых параметров ЭМС в функции от коэффициента запаса по помехозащищенности и коэффициентов вариации случайных величин Хы и Х^. Показано, что наиболее низкие значения контролируемых плрзмогров имомт юс-то при сочетании симметричных законах распределения величин Хн и Хв ,о наиболее неблагоприятным для решокия проблемы ЭМС является вариант, когда случайная величина Х^ ¡моет зкепонйгциальноо распределение.

5. На основе анализа данных но исследоодш парнм^гров ЭМО, рассмотрения щюцосса коммутации индуктивной натру;.1:;'.! и

выводов теоремы об экйшалептшсги параметрических пространств Э'Ю я псмохозацщоишх средств. сформул-фовзны требования к ¿иларптуро измерения и моделирования помех.

6. Сформулирована и доказана теорема об эквивалентности импульсов помех различной Форш. На основе доказанной теоремы впервые получены теоретически к акспержюитальяо проверены, условия э'свивалентности для девяти импульсов по.мох различной формы по отнокешш к прямоугольному импульсу. Полученные условия эквивалентности позволяют: идентифицировать результаты испытаний имитаторами помех, моделирукщими импульсы различной формы; упростить построение имитаторов помех за счет применения 'более просто технически реализуемых импульсов псмэх.

7. Разработаны метода нормирования контролируемых параметров ЭХ мжроэлонтронпых СОБД и согласования этих норм, исхода из условий обеспечения заданного уровня безопасности фушщлонарования этюи систем. На основе использования функциональных вероятностно-статистических моделей п методов определения толе ран1, пых пределов получены аналитические завлскмостл для уровней согласованных норм.

•3. разработаны методы проведения многофакторных исследовательских испытаний на помехозащищенность гмкроэлэятроншлх СОЗД. Подробно изложена методика проведения исследовательских испытаний на помехозащищенность на основе планов ПФЭ типа 2к первого порядка и ОЦКП второго порядка. Испрдьзозеиао методов тэориа планирования экспораментов при проведения Есследсмтел^сках испытаний позволяет существенно уменьшить вржя и материальные затрата при испита...шх и изучить механизм злилпяя р^злпчшп факторов нз величину

ШМ9Х03Е1ЦИЩ9НК0СТИ.

5. Разработан способ определения адекватности модели при решении интерполяционных задач могодамя ТПЭ с использованием планоп 1Ш типа "¿~ для случая, когда в уравнении регрессии оказываются значимыга большинство, либо все коэффициенты при Факторах и их взаимодействиях. Разработанный способ позволяет уменьшить вероятность совершения ошибки второго рода при проверке адекватности модели и провести ее оценку на границах области факторного пространства.

ю. Выполнен детальный анализ во временной и частотой области требований меадународного стандарта 1ЕС-801-4. Показаны его недостатки и обоснованы метода их устранения, существенно повышающие адекватность проведения испытаний на помехозащищенность.

11. Разработаш принципы построения и реализован комплекс аппаратуры измерения и моделирования помех, базирующийся на нродлоаишшх вероятностно-статистических моделях, условиях эквивалентности импульсов помех различной формы, анализе параметров ЭМО, методах нормирования и контроля параметров ЭМС.

12. Предложен метод оптимизации параметров ЭМС мизерозлектрошшх СОБД по критерию стоимости при обеспечении заданного уровня безопасности, основашшй на поиске локальных оптимумов с помощью множителей Лагранжа.

13. Созданный комплекс аппаратуры позволил реализовать методы контроля и анализа ЭМС при разработке и внедрении в опытную эксплуатацию ряда мжроэлоктроньих СОБД, тэгах как АЛС-ЕН. АЛСЕ-САУТ, АВ-Е1, и обеспечить их ЭМС в условиях реальной ЭМО при заданном уровне надежности и безопасности их Функционирования.

Результаты опитпой эксплуатации, внедренных мжроэлмегрон-них СОБД, показали высокую эф$хчстшлюсть предложенных ¡':>поний

по обеспечения) устойчивой работы систем в условиях реальной О,МО.

Использование аппаратуры анализа и контроля ЭУС позволило существенно сократить время разработки и внедрения в эксплуатация высокозф^ктивпых микроэлектронных СОБД.

Основше положения диссертации опубликовании следующих работах:

1. boohkov к.к.. analisis of specifications of international atanrtard iec-s01 . //proceedings international sympoaiu-n on electromagnetic corcpatibility.wroolaw,1992, p 651-653.

2. lisenkov v.m..bochkov k.a.,ko3troma v.s., ruazantseva n.v., juditskii jn.a. identification oi te3ts with varioo noise airmlatoi'a. // proceedings • international symposium on elec tromagne tio compatibility. wroolaw, 1992, p.251-253-

3. xi3erikov V.M., boohkov X.A., kostrominov A.M. electromagnetic compatibility of responsible nioroeleatronio traffic control systems. // proceedings x international syapoaiun on slsotromagnetio compatibility. wroolaw.1990, p.351-354.

4. yatskovioh v.v., boohkov k.a.«yuditsky u.a. set of ргоЬез for measuring pub3ing ar.d oontiniou3 nagnetio fields.// prooeedinga x international symposium on electromagnetic compatibility. wroclaw,1990, p.333-387.

5. Бочков K.A. Адекватность испытаний на помехозащищенность аппаратурой моделирования импульсных помех.// Микроэлектронше системы управления движением поездов/ Можзуз. сб. научн. тр. /МИИТ.-1992. ВЫП.862.о.17-24-

6. Бочков К.А. Спектральный анализ и условие эквивалентности импульсов помех. // Мжсроэлоктронше системы управления двидашгмл поездов/ Ь'е-.жуз. сб. ыэучн. тр. /ЖМ?.-1992, вып.362.о.112-118.

".Бочков К.А. О- принципах построения аппаратуры шделирова'шя помех. //Электромагнитная совместимость судовых технических средств: Тез.докл. Всесовзя.научн.-техн.чол$., Ленинград, Судостроение, 1990, -с.139-141.

8. К.А.Бочков. Принципы чормировання электромагнитной* ccemsc?',"kct:' .чихроэдеэтролныг систем обеезэченжя безопасзосга

движения поездов. //Радиоэлектронные и ьгакроЕроцессаряыэ системы обеспечения безопасности движения транспорта: Ыеквуз. сб.научл.тр. Ш, 1990, вып.828, -с.43-51.

9. Бочков H.A.. Принципы электромагнитной совместимости микроэлектроншх систем обеспечения безопасности движения поездов /Таз.докл.научи.-техн.конф., посзящэшгой бо-летиэ НИЯЖТа, Новосибирск, 1992.

10. К.А.Бочков. Испытания на помехозащищенность микроэлектрошшх систем обэспочения безопасности движения поездов. //Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта: ?оз.докл.Ш Всэсоюзн. научн.-тэхн. конф., Омск, 1991, -c.1S7-188.

11. Бочков К.А. Модель элвктромапштной совместимости устройств железнодорожной автоматики и тблэмэхашпси //Пути повышения эафэктивнооги использования подвижного состава: Тез.докл. науч.техн.конф.БолИШ1, Гомоль, 1983, -с.55-56.

12. Бочков H.A., Яцкэвич В.А. Зонда для измерения импульсных и непрерывных электромагнитных полей.//Вопросы радиоэлектроники. Сэр, Электронная вычислительная техшша.-1991.-Был, 7.-с.99-105.

13. Бочков К.Л. Аппаратура для измерения параметров электромагнитной обстановка.// Тез. докл. ВНТК./ Автоматизированные системы испытаний объектов к.д. транспорта.-Омск:,1991. о. 103-189.

14. В.Ы.Лисоиков, К.А.Бочков. Влияние проблемы электромагнитной совместимости на безопасность

микрозлокгрошш систем управления движением . поездов. Тез.докл.научи.-теха.конф. посвященной 60-лэтш> КЮТГа, Новосибирск, 1332, с.

15. Бочков H.A., Костроминов A.M., Красногоров A.A. Анализ эффективности сетевых фильтров в системах жэлездадорахшой автоматики а телемеханики // Новые разработки в области ишозиодорохшой . автоматика и . телемеханики: сб.неуч.тр. /MST, Ленинград, 1981. -с.78-05.

16. Бочкой К.А., Красногоров A.A. Обеспечение электромагнитной совместимости систем жолознодороиюй автоматики и толемохашоси //Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического процесса на желознодоромюм транспорте' /Тез. докл.ограсл.науч.Т(!хн.конф., Москва 1S84. с.39-40.

17. Костроминов A.M., Кустов В.Ф,, Бочков К. А.' Кетод нармяровлия восприимчивости к шюкяшм 'помп хам цифровых