Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ средств автоматизированного проектирования и их возможности по обеспечениюбезотказной работы сложных блоков программно технических комплексов специального назначения в в условиях воздействия статического радиационного воздействия 12
1.1. Программно-технические комплексы специального назначения: назначение, состав и перспективы разработки 12
1.2. Анализ современных подходов к автоматизации проектирования сложных блоков, составляющих ПТК 17
1.3. Особенности проявления радиационного воздействия на сложные блоки, использующие современную микрокомпонентную базу 22
1.4. Анализ и возможности средств проектирования по прогнозированию показателей надежности сложных блоков, составляющих ПТК, при воздействии на них событий радиационного характера 29
1.5. Развитие моделирования событий радиационного воздействия современными средствами проектирования 35
1.6. Выводы, цели и задачи исследования 36
2. Средства и методы автоматизации проектирования сложных блоков с учетом комплексного воздействия на них различных деградационных факторов 40
2.1. Обобщенная методика проектирования сложных блоков с комплексным учетом отказов аппаратуры вследствие воздействия различных деградационных факторов
2.2. Обобщенная математическая модель параметров надежности сложных блоков ПТК с учетом старения технических систем при статическом радиационном воздействии 47
2.3. Обоснование методов, средств и среды проектирования для получения моделей высоконадежных сложных блоков 57
2.4. Выводы 60
3. Обобщенная функция вероятности безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов и ее интеграция в сапр сквозного проектирования 62
3.1. Логическая функция параметров надежности сложных блоков, составляющих программно-технические комплексы, на основе логико-вероятностного математического аппарата 63
3.2. Использование вероятностной теории Марковских процессов и теории графов для детализации обобщенной функции параметров надежности сложных блоков 67
3.3. Интеграция расчетных формул параметров надежности в САПР сквозного проектирования 74
3.4. Выводы 79
4. Разработка программного обеспечения средств автоматизации проектирования сложных блоков и оценка эффективности разработанных методик, моделей и агоритмов 80
4.1. Определение показателей надежности сложных блоков ПТК и экспериментальная проверка адекватности моделей 81
4.2. Особенности разработанного программного обеспечения для расчета надежности программно-технических-комплексов специального назначения в нормальных условиях и условиях воздействия радиации 95
4.3 Результаты апробирования программно-технического комплекса специального назначения, разработанного с использованием программного обеспечения расчета надежности ПТК в нормальных условиях и в условиях воздействия событий радиационного характера 105
4.4. Выводы 110
Заключение 111
Список используемых источников
- Анализ современных подходов к автоматизации проектирования сложных блоков, составляющих ПТК
- Обобщенная математическая модель параметров надежности сложных блоков ПТК с учетом старения технических систем при статическом радиационном воздействии
- Использование вероятностной теории Марковских процессов и теории графов для детализации обобщенной функции параметров надежности сложных блоков
- Результаты апробирования программно-технического комплекса специального назначения, разработанного с использованием программного обеспечения расчета надежности ПТК в нормальных условиях и в условиях воздействия событий радиационного характера
Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка программно-технических комплексов специального назначения относится к приоритетной области экономической политики Российской Федерации, так как они востребованы в научной, оборонной, социальной и иных важнейших сферах деятельности. При этом огромное значение имеет работоспособность программно-технических комплексов, включенных в перечень критических технологий Российской Федерации и предназначенных для авиационных, космических объектов, атомных электростанций, химических производств, вследствие того, что они имеют первоочередное значение для национальной безопасности РФ. Данные технические системы должны функционировать при воздействии ионизирующего излучения, электромагнитных помех, в широком диапазоне механических напряжений и температур.
Задача обеспечения работоспособности таких систем может быть решена только с помощью комплексного подхода, включающего в себя совершенствование архитектуры и структуры вычислительных модулей, разработку новой широкой номенклатуры функционально-ориентированной высокоинтегрированной электронной компонентной базы, создание научной и промышленной инфраструктуры проектирования, производства, испытания и эксплуатации вычислительных систем.
Среди указанных мероприятий задача разработки сложных блоков, составляющих основу программно-технических комплексов и сохраняющих свою работоспособность при воздействии целого спектра дестабилизирующих факторов, является особенно важной. Ее решение требует совершенствования, в первую очередь, средств автоматизированного проектирования (САПР), которые позволят разрабатывать изделия, работающие в указанных условиях. Прежде всего, это относится к моделированию различных видов воздействий и прогнозированию показателей надежности, которые должны учитывать радиационную компоненту.
Отметим, что моделирование работоспособности технических систем в указанных условиях и прогнозирование показателей надежности сложных блоков всегда было объектом рассмотрения при создании программно-технических комплексов. Этому посвящены многие работы авторов Зинчука В. М., Лимарева А. Е, Попова В. Д., Неровного В. В., Антимирова В. М.
Однако в настоящее время коренным образом изменились технологии создания блоков, появились новые схемотехнические и технологические решения, связанные как с созданием новой электронной компонентной базы, так и с методами ее комплексирования и обработки информации. Кроме того, появились новые и модернизировались традиционные виды дестабилизирующих факторов, ужесточились требования по показателям надежности и срокам функционирования аппаратуры в условиях ионизирующего воздействия, что нашло отражение в комплексе государственных стандартов (КГС) «Климат-7», «Мороз-6», а также в руководящих документах, конкретизирующих их.
Эти причины потребовали провести совершенствование САПР в части автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения, что и обусловило актуальность работы.
Диссертация выполнена по программам работ научно-образовательного центра ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в ча-
сти моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта ра-диационно-стойких библиотек элементов», поддержана грантами РФФИ 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ФГБОУ ВПО (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» №01.2.00609244.
Объектом исследования является автоматизированное проектирование сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения.
Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования работоспособности сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, функционирующих в условиях воздействия радиации в САПР сквозного проектирования.
Цель исследования состоит в создании методов, моделей и алгоритмов определения показателей надежности сложных блоков программно-технических комплексов в условиях воздействия радиации в САПР.
Для достижения поставленной цели необходимо найти решение следующих основных задач:
-
Провести анализ текущего состояния методов и средств автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов при воздействии радиации, определить проблемы и направления их развития.
-
Сформировать методику проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, учитывающую радиационную компоненту, режим работы функциональных модулей и способную оценить показатели надежности технических систем.
-
Разработать математические модели вероятности безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом радиационных эффектов, возникающих в блоках при статическом радиационном воздействии.
-
Получить численные оценки безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата в зависимости от режима работы и параметров радиационного воздействия.
-
Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, позволяющее оценить показатели надежности в условиях радиационного воздействия при динамическом режиме работы данных систем.
-
Реализовать разработанные средства и внедрить их в единую программную среду проектирования, осуществить их интеграцию в промышленное производство и оценить адекватность моделирования.
Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертации использованы математический аппарат логики, теории графов, дифференциального исчисления, комбинаторики, математической статистики и дискретизации, а также элементы теории автоматизированного проектирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Методика проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающаяся комплексным учетом отказов аппаратуры вследствие старения и деградации параметров от статического радиационного воздействия и способная оценить показатели надежности в процессе работы блоков в составе программно-технических комплексов;
обобщенная функция определения безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающаяся учетом радиационных эффектов статического характера;
математическая модель для вычисления численных оценок безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата, отличающаяся учетом радиационного воздействия и режима работы блоков в составе программно-технических комплексов;
алгоритмическое и программное обеспечения для проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающиеся совокупностью процедур, позволяющих в комплексе учесть отказы аппаратуры вследствие старения и деградацию параметров от статического радиационного воздействия в зависимости от режима работы комплекса.
Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методики в виде программных средств для проектирования сложных блоков программно-технических комплексов внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) с экономическим эффектом 1409 тыс. рублей. Также результаты использовались для подготовки студентов по направлению «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий». Анализ результатов внедрения показал их высокую значимость. Разработанные средства позволили значительно увеличить возможности проектирования сложных блоков с учетом их режимов работы, отказов аппаратуры вследствие старения и деградации параметров от статического радиационного воздействия. Основной практический вывод работы состоит в создании средств проектирования сложных блоков, реализованных на единой методологической платформе, что делает возможным их распространение на промышленных предприятиях аналогичного профиля.
Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования - задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:
3. Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.
Апробация работы. Результаты и положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также предприятиях отрасли.
Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах: VII Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» («ФММС-7») (г. Воронеж 2010 год); Российской академии наук «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС) » (г. Москва 2012
год), XIII Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж 2012 год), одиннадцатой международной научной конференции «EAST-WEST DESIGN & TEST SYMPOSIUM (EWDTS 2013)» (г. Ростов-на-Дону 2013 год).
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 14 работ включая 4 работы в журналах, входящих в Перечень, определенный ВАК Ми-нобрнауки России, 6 работ выполнены без соавторов.
Личным участием автора является определение цели и задач работы [1, 2, 8, 13], выполнение научно-технических исследований [4-6], разработка и анализ моделей [10-12, 14], разработка алгоритмов [12], разработка методики проектирования [9, 13], аппаратная [3] и программная реализация [7]. Общий объем всех публикаций 81 стр. Из них лично автором выполнено 55 стр.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 125 страницах и включает в себя введение, четыре главы, заключение, приложения, а также список используемой литературы.
Анализ современных подходов к автоматизации проектирования сложных блоков, составляющих ПТК
Рассмотрим кратко современное состояние САПР с учетом их возможностей по проектированию перспективных и высоконадежных технических систем.
Средства автоматизированного проектирования прошли долгий путь развития и на сегодняшний день являются главным средством реализации автоматизации на практике. Первые САПР было принято делить на следующие: - для цифровых изделий; - для аналоговых изделий; - для схем памяти. Существовали и другие разновидности САПР. Однако сейчас такого разделения нет и в современных САПР осуществляется комплексное проектирование как цифровых, аналоговых интегральных схем, так и сложных объектов, построенных на схемах различного уровня и назначения [1,8].
Общепризнанными мировыми лидерами в разработке подобных САПР стали такие известные фирмы как Cadence Design System, Mentor Graphics, Synopsis (США) [43].
Компания Cadence Design System - внесла наибольшие достижения в мир разработки средств проектирования. Именно Cadence на сегодняшний день готова предоставить потребителям самые широкие возможности по проектированию и разработке как отдельных сверхбольших интегральных схем, так и целых комплексов. Средства разработки компании Cadence охватывают все стадии проектирования, начиная с проектирования на схемотехническом уровне интегральных схем и заканчивая проектированием на системном уровне IP-блоков сложных технических комплексов.
В целом проектирование в среде Cadence включает этапы системного проектирования, аппаратного проектирования и верификации, физическое прототипирование и проектирование и верификации топологии кристалла.
Системное проектирование подразумевает использование языков программирования, таких как C/C++ и SystemC, для разработки модели системы, а также исследования различных параметров и свойств системы, выявления необходимых спецификаций и требуемых параметров на программные и аппаратные блоки. Аппаратное проектирование и верификация - эта разработка на более низком уровне, чем системное проектирование. Основные языки программирования на стадии аппаратного проектирования - Verilog/VHDL, с помощью которых исследуются поведенческие модели отдельных подсистем комплекса, происходит проверка программно-аппаратной реализации на соответствие спецификациям, полученным на системном уровне.
Физическое прототипирование заключается в предварительном размещении элементов, оценке потребляемой мощности, планировании шин питания и иерархии тактовых сигналов. На этом уровне оценивается качество возможных искажений сигнала.
Проектирование и верификация топологии кристалла - разработка топологии заказных блоков, трассировка на уровне ячеек, проверка правил проектирования топологии, экстракция паразитных параметров [25].
Другой признанный лидер в области разработки систем автоматизированного проектирования - компания Mentor Graphics, которая также предлагает чрезвычайно широкий спектр продуктов - от средств проектирования СБИС, в том числе систем на кристалле (SoC) и систем на ПЛИС (FPSoC), до систем проектирования печатных плат, систем кабельных соединений и систем управления базами данных проектирования, интегрированных с PLM/PDM-системами предприятия [40]. Так же как и Cadence, Mentor Graphics предлагает разнообразные средства для системного и функционально-логического проектирования как СБИС, так и сложных технических систем и в целом можно констатировать, что продукты компании Mentor Graphics позволяют решать сколь угодно сложные задачи проектирования. Все они интегрированы в сквозной маршрут, верифицированный и поддерживаемый множеством технологических библиотек от ведущих изготовителей СБИС (UMC, TSMC, Chartered, IBM, STMicroelectronics, AMS и др.). Все продукты Mentor Graphics основаны на общепринятых стандартах, а поэтому легко интегрируются в маршруты проектирования других поставщиков.
Компания Synopsys - третий крупнейший поставщик САПР на мировом рынке. Продукты Synopsys обеспечивают разработку сложнейших СБИС и систем на кристалле (SoC). Компания также поставляет IP-блоки и предоставляет услуги по разработке СБИС, что позволяет заказчикам упростить процесс проектирования и сократить время выхода своей продукции на рынок. САПР компании Synopsys предназначена для работы с любыми КМОП-технологиями, вплоть до глубокосубмикронных (до 0,13 мкм и ниже) на всех этапах маршрута проектирования [35].
Отдельные успехи в разработке средств проектирования достигли также и ряд более мелких компаний, такие как ML Design, Forte Design, Synplicity и др. [93]. Интерес к этим компаниям вызван прежде всего гораздо меньшей стоимостью выпускаемых ими средств проектирования, однако многие специальные возможности, присутствующие в САПР таких производителей, как Cadence Design System, Mentor Graphics и Synopsis в них отсутствуют.
Однако, несмотря на то, что разработчики САПР вкладывают огромные средства в развитие и продвижение систем автоматизации проектирования, следует отметить, что в основном все существующие САПР используются для проектирования отдельных составляющих сложных блоков и, как правило, учитывают только внутрисистемные помехи и не оценивают надежность функциональных модулей в целом, что ограничивает их использование как при разработке новых ПТК, так и при модернизации существующих. Сложные блоки являются сложными системами, их проектирование характеризуется большим числом возможных вариантов решений, необходимостью учета большого количества внешних факторов, влияющих на их функционирование и надежность. Основные идеи проектирования сложных блоков, составляющих высоконадежные ПТК, лежат в структурном и функциональном подходе, в которых необходимо выявление структуры технических систем, проведение типизации связей, определение атрибутов и анализ влияний внешней среды.
В связи с этим, следует выделить такой вид проектирования, который включает комплексное математическое моделирование и оценку различных характеристик сложных объектов. Сложность такого подхода заключается, как правило, в отсутствии единой программной среды проектирования. Востребованные в настоящее время программные продукты, осуществляющие, например, проектирование перспективных и высоконадежных функциональных блоков и позволяющие проводить расчёты по оценке их надежности в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, мало распространены и практически недоступны.
Поэтому необходимо большое внимание уделять разработке подсистем автоматизированного проектирования для решения задач проектирования надежностных сложных систем, таких как сложные блоки программно-технических комплексов специального назначения.
Обобщенная математическая модель параметров надежности сложных блоков ПТК с учетом старения технических систем при статическом радиационном воздействии
Суть предложенной методики состоит в получении модифицированной библиотеки функциональных блоков, используемых в программно-технических комплексах, с учетом показателей надежности, на основе использования мощных математических алгоритмов и требований ТЗ, выданных на начальном этапе проектирования. При этом использование средств автоматизированного проектирования позволяет наиболее точно учесть все факторы, влияющие на конечный результат.
Новизна данной методики заключается во внедрении в САПР сквозного проектирования математической модели показателей надежности сложных блоков ПТК, отличающейся от существующих моделей комплексным учетом радиационного воздействия, показателей старения и режима работы сложных блоков. Кроме того, внедрение данной математической модели надежности сложных блоков осуществляется как на системном уровне проектирования, так и на функционально-логическом уровне, который, в свою очередь, предлагается разделить на два модуля: внутренний и внешний. На внешнем модуле блоки представляются логическими функциональными узлами, выполняющими определенные целевые функции назначения, а на внутреннем уровне функциональные узлы декомпозированы до отдельных элементов. Данный подход позволяет разработать наиболее полную модифицированную библиотеку, включающую сложные блоки, функциональные узлы и элементы, учитывающие радиационную компоненту и динамический режим работы технических модулей [33] при минимальных временных и материальных затратах.
Процесс разработки сложных блоков с учетом показателей надежности, согласно предложенной методике, должен начинаться с идентификации объекта. На этом этапе следует определить основные эксплуатационно-технические свойства, область применения и функции, выполняемые объектом. На основе этих данных определяются цели и задачи проектирования, включающие в общем случае необходимый набор критериев функционирования модулей, определение минимально возможных надежностных показателей как при нормальных условиях эксплуатации, так и при воздействии на сложные блоки событий радиационного характера. На этом же этапе создается системная спецификация, которая может являться частью технического задания на составные части ПТК. После определения целей и задач проектирования выбирается метод расчета показателей надежности функциональных модулей, позволяющий учитывать системную спецификацию рассматриваемых систем с учетом всех необходимых критериев работоспособности.
На этапе выбора метода расчета комплексных показателей надежности сложных блоков автором предлагается совместное использование структурного и физического подхода совместно с методом прогнозирования надежности. Такой выбор обосновывается тем, что он позволяет рассчитывать характеристики сложных технически систем, представленных в виде структурной схемы с установлением логических соотношений между состояниями норма-отказ элементов сложных блоков с учетом их структурно-функционального взаимодействия друг с другом.
Как правило, описанные выше этапы проектирования выполняются специалистами-экспертами и не требуют автоматизации.
Следующим этапом проектирования сложных блоков с учетом показателей надежности становится составление математических моделей комплексов на основе предложенной совокупности методов расчета. Основная дилемма состоит в нахождении компромисса между простотой описания, что является одной из предпосылок понимания, и необходимостью учета многочисленных поведенческих характеристик сложной системы. При этом, по мнению автора, целесообразно выделить аспекты построения математической модели сложных блоков, иллюстрированные на рисунке 2.2. ;1й№»
Следующий этап проектирования - интеграция математической модели сложных блоков с учетом полученных характеристик (нагрузочная способность, временные задержки, надежность) на системный и функционально-логический уровни проектирования технических систем.
Далее с помощью полученной математической модели сложных блоков определяются выходные параметры технических систем. Полученные значения сравниваются с соответствующими значениями из ТЗ и принимается решение о дальнейших действиях. В случае неудовлетворения требований ТЗ возможны следующие этапы проектирования: - параметрическая оптимизация; - изменение структуры ПТК; - корректировка ТЗ. Данные этапы проводятся циклически до удовлетворения требованиям надежности, предъявляемым к программно-техническим комплексам специального назначения.
Использование вероятностной теории Марковских процессов и теории графов для детализации обобщенной функции параметров надежности сложных блоков
Для получения детализированного вида коэффициента восстановления г, используемого в формуле (3.5), используется вероятностная теория Марковских процессов [23, 71, 72] и теория графов [29, 54, 75].
Согласно данным теориям коэффициент восстановления можно представить в виде вероятностного графа G. Вершины такого графа соответствуют подсистемам и отдельным функциональным элементам реального сложного блока, дуги - каналам связи. Элементы графа G (его вершины) могут находиться с заданными вероятностями Ps в состояниях исправности (логическая единица) и отказа (логический нуль), что определяется возможными состояниями соответствующих функциональных элементов и подсистем реальных сложных блоков. Так как работоспособность упомянутых выше систем определяется проводимостью сигнала между узлами некоторого фиксированного подмножества узлов Т, то в качестве основного показателя их надежности берется вероятность P(G) наличия в соответствующих графовых моделях G исправных минимальных путей между парами вершин из Т.
Интерес к задаче определения P(G) в последнее время связан с тем, что сложность точного расчета P(G) экспоненциально возрастает с ростом размерности графа G. В связи с этим расчет надежности сложных блоков, составляющих основу ПТК специального назначения, предполагает использование все более искусных алгоритмов расчета, позволяющих укладываться в используемые аппаратные возможности технологических ЭВМ, и высокой степени автоматизации, позволяющей свести к минимуму случайные ошибки, вызванные человеческим фактором при решении практических задач надежности. Для расчета вероятности P(G) и определения коэффициента восстановления г с помощью обозначенных выше теоретических аспектов необходимо: . 1. Сформулировать исходные данные и понятие «отказ»; 2. Построить граф переходов и состояний; 3. По графу составить систему линейных дифференциальных уравнений; 4. Произвести решение системы уравнений и определить численные показатели коэффициента восстановления. Каждый сложный блок можно схематично представить в виде резервированной системы, состоящей из п функциональных подсистем (рисунок 3.2). Рисунок 3.2 - ПТК в виде резервированного объекта Возможное число состояний сложного блока - п+1: - S0 - п последовательностей функциональных элементов, входящих в состав сложного блока, работоспособны; - S{ - одна из последовательностей функциональных элементов, входящих в состав сложного блока, в состоянии отказа; - Sn - п последовательностей функциональных элементов, входящих в состав сложного блока, в состоянии отказа. Граф состояний исследуемой нами технической системы, таким образом, имеет вид: где Яу - постоянная интенсивность перехода из состояния работоспособности (/) в состояние отказа (/);
Му- постоянная интенсивность перехода из состояния отказа (/ ) в состояние работоспособности (/). Вероятность каждого состояния определяется системой дифференциальных уравнений. Для получения такой системы в данной работе применяется теория Марковских процессов, согласно которой по виду графа определяют правила: а) Для каждого из возможных состояний объекта записывается dPj уравнение, в левой части которого —г, а справа - столько слагаемых, сколько стрелок графа соприкасается с данным состоянием. б) Если стрелка направлена в данное состояние, то перед слагаемым ставится «+», если из данного состояния, то ставится знак «-». в) Каждое из слагаемых будет равно произведению интенсивности перехода из данного состояния (либо в данное состояние) на вероятность состояния, из которого выходит стрелка. помощью изложенного выше теоретического материала, возможно также получить численные оценки других характеристик надежности [84]. Пример: Получить формализованное представление показателя наработки на отказ сложного блока, состоящего из трех параллельно соединенных последовательностей функциональных элементов. Критерием работоспособности является работоспособность хотя бы одной последовательности функциональных элементов. Решение: Применяя к данной системе изложенный выше теоретически! подход, получим систему дифференциальных уравнений: dP0(t) dt dPt(t) = -Я01Р0(/) + //,0Л(О, dt dP2(t) (ЗЛО) dt dP3(t) = A(nP0(t) - (Al2 + Мю)І\(,) + fi2]P2(t). = ЛІ,/3І(/)-(і23+//2,)Д(/) + //з2Р3(/), { dt где P() - вероятность нахождения сложного блока в состоянии, характеризуемом тремя работоспособными последовательностями функциональных элементов; Pi - вероятность нахождения сложного блока в состоянии, характеризуемом двумя работоспособными последовательностями функциональных элементов; Рт - вероятность нахождения сложного блока в состоянии, характеризуемом одной работоспособной последовательностью функциональных элементов; Р3 - вероятность нахождения сложного блока в состоянии полного отказа. Исключая из полученной системы все неработоспособные состояния (в данном случае P3(t)), получим:
Результаты апробирования программно-технического комплекса специального назначения, разработанного с использованием программного обеспечения расчета надежности ПТК в нормальных условиях и в условиях воздействия событий радиационного характера
Полученные с помощью данного программного обеспечения показатели надежности дополняют библиотеку функциональных блоков и подсистем, используемую в среде САПР Cadence при проектировании сложных программно-технических комплексов специального назначения.
Таким образом, в библиотеке приняты следующие соглашения: на каждый библиотечный элемент приводится название элемента, его электрическая схема, условное графическое обозначение, таблицы времен задержек, таблицы логических состояний, показатели надежности в нормальных условиях и в условиях радиационного воздействия.
Результаты апробирования программно-технического комплекса специального назначения, разработанного с использованием программного обеспечения расчета надежности ПТК в нормальных условиях и в условиях воздействия радиации
Для оценки адекватности моделирования показателей надежности технических систем проведен расчет вероятности безотказной работы сложных блоков, разрабатываемых ОАО «Концерн Созвездие», с помощью разработанного программного обеспечения, и проведено сравнение с экспериментальными значениями, полученными в ходе проектирования данных модулей. Результаты сравнения приведены на рисунке 4.15.
Результаты сравнения данных, представленных на рисунке, показывают достаточное совпадение расчетных и экспериментальных показателей надежности. 106 Различия в приведенных графиках, по мнению автора, во многом обусловлены ограничениями, приведенными в главе 2, а именно: отсутствие учета радиационно-механических и радиационно-температурных эффектов, вызываемых в сложных блоков в процессе их длительного функционирования в условиях воздействия статического радиационного излучения; работоспособность сложных блоков на дискретном шаге моделирования не изменяется ни при каких условиях.
Полученные адекватные результаты моделирования показателей надежности сложных блоков позволили провести интеграцию разработанных математических моделей, алгоритмических и программных методов проектирования функциональных модулей в общий маршрут проектирования, разработанный с использованием обобщенной методики проектирования, которая была предложена автором и описана в главе 2.
Разработанные по данной методике сложные блоки были внедрены в программно-технические комплексы, апробация которых проводилась с 25 по 28 сентября 2013 года в г. Нижний Тагил в рамках проведения международной выставки техники двойного назначения RAE-2013. В работе по апробации принимали участие эксперты из организаций: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская лесотехническая академия», ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), ОАО «Научное конструкторское бюро вычислительных систем» (г. Таганрог), ОАО «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения» (г. Нижний Тагил).
В испытаниях участвовали программно-технические комплексы, установленные как на летательные аппараты, так и наземного базирования. При этом три программно-технических комплекса стационарного размещения (наземного базирования) были разработаны с использованием предложенных методик, алгоритмов и проблемно-ориентированного программного обеспечения, а разработка других трех ПТК наземного базирования осуществлялась без применения рассматриваемых в данной диссертации средств. Схема проведения апробации сложных блоков в реальных условиях эксплуатации приведена на рисунке 4.16.
В ходе испытаний было выдано тестовое задание на оценку надежности и устойчивости функционирования подсистем ПТК специального назначения заключающееся в следующем: с полигона запускался летательный аппарат с целью разведки местности и ее передачи на системы наземного базирования в масштабе времени, близком к реальному. При получении данных от летательного аппарата информация передавалась на взаимодействующий объект с программно-техническим комплексом. Схема передачи данных между объектами представлена на рисунке 4.17.
В рамках испытаний на все стационарные объекты с летательного аппарата было передано по 128 пакетов с данными с интервалом между передачами 3 секунды. При этом процент доведения информации на объекты, оснащенные разработанными сложными блоками стандартными средствами проектирования, составил 89% (получено 114 пакетов), а процент доведения информации на объекты, оснащенным сложными блоками, разработанными по предложенной автором методике, составил 100% (получено 128 пакетов).
Таким образом, математические модели сложных блоков, а также алгоритмические и программные методы, предложенные и описанные автором в данной работе, позволили на этапе проектирования сложных блоков спрогнозировать и, тем самым, увеличить показатели надежности ПТК при выполнении целевой функции по назначению по передаче обработке и приему данных.
Похожие диссертации на Автоматизация проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения
