Автореферат (Метод имитационного моделирования для проектной оценки показателей безотказности структурно-сложной радиоэлектронной аппаратуры)

На правах рукописиТИХМЕНЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧМЕТОД ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТНОЙОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ СТРУКТУРНОСЛОЖНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукВолгоград, 2013 г.Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроники и телекоммуникаций»Московского института электроники и математики федеральногогосударственного автономного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования Национального исследовательскогоуниверситета «Высшая школа экономики»Научный руководителькандидат технических наук, доцент ЖадновВалерий Владимирович.Официальные оппоненты:Кравец Алла Григорьевна, доктортехнических наук, Волгоградскийгосударственный технический университет,кафедра «Системы автоматизированногопроектирования и поисковогоконструирования», профессор;Сальникова Наталия Анатольевна, кандидаттехнических наук, доцент, Российскаяакадемиинародногохозяйстваигосударственной службы Волгоградскийфилиал, кафедра «Информационных системи математического моделирования», доцент.Ведущая организацияОткрытое акционерное общество Научнопроизводственноеобъединение«Лианозовский электромеханический завод»Защита состоится «24» декабря 2013 г.

в 14 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.028.04, созданного на базе Волгоградскогогосударственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград,пр. Ленина, 28, ауд. 209.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградскогогосударственного технического университета.Автореферат разослан «__» ноября 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного советаВодопьянов Валентин Иванович2Общая характеристика работыАктуальность работы. Развитие радиоэлектронной промышленности исредств САПР приводит к быстрому росту функциональности выпускаемыхизделий и усложнению структуры радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) приодновременном повышении требований к их надежности, что требует развитияметодов анализа структурной безотказности, и, в первую очередь,автоматизированных средств, пригодных к использованию в САПРпредприятий.

На качество процесса проектирования отрицательно влияетнедостаточное математическое обеспечение исследований надежности.Используемые модели и ПО имеют ряд недостатков, главным из которыхявляется то, что они позволяют получить точную оценку показателейбезотказности только в отдельных случаях. Для большинства применений,особенно для бортовой аппаратуры, требуется длительный анализ, неподдающийся автоматизации, результатом которого часто является только«нижняя» оценка показателей безотказности.

Такая оценка пригодна дляподтверждения требований технического задания (ТЗ), но не позволяетпровести сравнительный анализ различных вариантов реализаций структурыРЭА по уровню безотказности. Это затрудняет принятие проектных решений иможет привести к неоправданному применению дополнительных мер поповышению надежности, что влечет дополнительные затраты времени исредств на проектирование и негативно сказывается на себестоимости,массогабаритных характеристиках и на конкурентоспособности РЭА.Тематика проектной оценки показателей надежности освещена вомногих исследованиях, где рассматриваются как вопросы проектированиярадиоэлектронной аппаратуры, так и методы теории надежности. К основнымработам в этой области следует отнести труды И.А.

Ушакова, Б.А. Козлова,Г.В. Дружинина,А.М. Половко,М.Р. Шура-Бура,А.Я. Резиновского,О.В. Абрамова, В.А. Каштанова, А.И. Медведева, В.В Липаева, Ю.Н. Кофановаи др. В их работах разработаны общие вопросы оценки надежностивосстанавливаемых и невосстанавливаемых систем, включая оценкунадежности резервированных изделий. Для расчетов, как правило,используются аналитические методы, а расчетные формулы выводятся дляограниченного набора типовых структур и их комбинаций. Для случаев, несводящихся к типовому набору структур, предлагается ряд методов по оценкенижних значений показателей надежности. При этом имитационноемоделирование признается перспективным методом, применение которогоограничено недостаточным программным и математическим обеспечением(Ушаков, И.А.). Способы применения имитационного моделирования длярешения задачи оценки показателей надежности рассматривались в работахГ.Н.

Черкесова, Л.К. Горского, С.В. Гурова, И.Н. Коваленко, Н.Ю. Кузнецова идр. Однако в этих работах не приводятся модели, применимые к устройствам сосложными критериями отказов и изменяющимися режимами работы.Это приводит к трудностям в оценке структурной надежности на этапахпроектирования, что влияет на качество проектных решений и увеличивает3вероятность ошибок при проектировании. Поэтому актуальной задачейявляется разработка метода исследования надежности РЭА, позволяющегоадекватно учесть алгоритмы реконфигурации и резервирования в оценкепоказателей безотказности.Объект исследования: Типовая процедура расчетной оценки надежностиРЭА.Предмет исследования: Методы, модели и алгоритмы, применимые дляанализа проектного уровня надежности структурно-сложной РЭА.Цели и задачи работы: повышение качества проектных работ за счетразработки и внедрения нового автоматизированного метода анализанадежности структурно-сложной аппаратуры, учитывающего ее алгоритмыфункционирования и реконфигурации.Для достижения данной цели были поставлены и решены следующиезадачи:Анализ современных процедур обеспечения надежности, применяемыхпри проектировании РЭА.Анализ методов и методик оценки проектной надежности структурносложной РЭА.Разработка математического обеспечения:o модели реконфигурируемого РЭА, применимой к широкому спектруструктур и алгоритмов реконфигурации;o алгоритмов решения модели и оценки на ее основе показателейбезотказности.Разработка лингвистического обеспечения в виде языка моделированиясо встроенными средствами описания структуры, алгоритмовреконфигураций и критериев отказов РЭА.Разработка и реализация структуры программного обеспечения соследующим функционалом:o преобразование формальной модели РЭА в программную;o верификация программной модели на соответствие алгоритмамфункционирования и реконфигурации исследуемого РЭА;o проведение имитационных экспериментов и обработка ихрезультатов (оценка проектных показателей надежности РЭА).Разработка методического обеспечения процедуры расчетной оценкипроектного уровня надежности РЭА:o инженерной методики создания и верификации моделей структурносложной РЭА;o инженерной методики анализа проектных решений схемы расчетанадежности (СРН) и алгоритма реконфигурации РЭА.При решении задач диссертационного исследования были полученыследующие новые научные результаты:1.

разработана унифицированная модель элемента СРН РЭА, в отличие отизвестных не привязанная к конкретной реализации структуры и4позволяющая учитывать смену законов распределения наработки приформировании временной диаграммы состояний (ВДС);2. создана модель структурно-сложной РЭА, которая отличается тем, чтоописывает алгоритмы реконфигурации, критерии отказов и не требуетописания всех возможных комбинаций состояний компонентов;3.

предложен метод расчетной оценки показателей безотказности РЭА,который существенно повышает точность оценки за счет формированияВДС с учетом реконфигураций;4. разработана новая инженерная методика анализа проектных решенийструктуры и алгоритма реконфигурации РЭА с точки зрения обеспечениятребуемого уровня безотказности, которая позволяет сократить срокипроведения сравнительного анализа альтернативных вариантов.Теоретическая значимость заключается в разработанных моделях иметоде оценки показателей безотказности, которые могут в дальнейшемиспользоваться в ПО САПР для совершенствования процесса анализапроектных решений и сокращения сроков проектирования радиоэлектроннойаппаратуры, а также при верификации аналитических моделей и анализевлияния различных допущений в них на точность расчетной оценки.Практическую значимость имеют результаты работы, предназначенныедля использования в процессе проектирования структурно-сложной РЭА, аименно:1.

предложенный способ формализации описания СРН реконфигурируемойРЭА, в виде специализированного языка, что позволяет в сжатые срокиразрабатывать модели сложных РЭА;2. разработанное программное обеспечение, реализующее создание иверификацию моделей реконфигурируемых РЭА и автоматизированнуюоценку показателей безотказности;3.

разработанное методическое обеспечение, которое значительно снижаеттрудозатраты на анализ проектных решений по обеспечению уровнябезотказности.Методология и методы исследования. В процессе решенияпоставленных задач использовалась методы теории автоматизированногопроектирования, математического моделирования, теории принятия решений,теории надежности, теории вероятности и математической статистики, теориимножеств и методы реализации языков программирования и объектноориентированного программирования.Основные результаты, выносимые на защиту:1. унифицированная модель элемента СРН РЭА, предназначенная дляформирования реализации его временной диаграммы состояний на основераспределений наработок;2. модель РЭА, позволяющая сформировать реализацию временнойдиаграммы состояний на основе состава, алгоритмов функционирования иреконфигураций;3. автоматизированный метод расчетной оценки показателей безотказностиРЭА на основе имитационного моделирования;54.

инженерная методика анализа проектных решений по обеспечениюбезотказности структурно сложной и/или реконфигурируемой РЭА.Достоверность работы основывается на использовании известныхпринципов имитационного моделирования, положений теории надежности,теории реализации языков программирования и подтверждается результатамичисленных экспериментов, демонстрирующих сходимость результатовмоделирования при одинаковых исходных данных к аналитическим моделям иожидаемые отклонения при учете дополнительных факторов.Апробация работы осуществлялась в ходе докладов и обсуждений наМеждународном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2010-2013),Международной конференции и Российской научной школе «Системныепроблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий»– ИННОВАТИКА (Сочи, 2010-2011), Международной студенческой школесеминаре «Новые информационные технологии» (Судак, 2010-2013),Всероссийской конференции «Современные проблемы радиоэлектроники»(Красноярск, 2011-2013), II Всероссийской научно-технической конференции«Радиовысотометрия» (г.

Каменск-уральский, 2010), Научно-техническойконференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва,2010-2013), II Всероссийской научно-технической конференции «Системыуправления беспилотными космическими и атмосферными летательнымиаппаратами»(Москва,2012),Международнойнаучно-практическойконференции «Инновационные информационные технологии» (Прага, 2012),научном семинаре «Надежность и качество функционирования систем»(Москва, 2012), X Всероссийской научно-технической конференции «Научныечтения по авиации, посвящённые памяти профессора Н.Е.

Жуковского»(Москва, 2013), что подтверждает актуальность проведенного исследования идостоверность его результатов.По теме диссертационной работы опубликовано 29 научных трудов, в томчисле 17 статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, 12 тезисовдокладов, и получено 1 свидетельство о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ № 2013613802.Практическая значимость работы и эффективность разработанныхсредств САПР подтверждается внедрением в практику проектирования наОАО «Научно-исследовательский институт точных приборов» (г.