Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы и постановка задач исследования 14
1.1. Исследование вопросов влияния физических процессов на надежность РЭС 14
1.2. Обзор методов и программных средств для обеспечения показателей надежности радиоэлектронных средств
1.2.1. Общие принципы обеспечения надежности 19
1.2.2. Методы расчета надежности систем 27
1.2.3. Обзор программных средств для анализа надежности
1.3. Основные задачи исследования 41
1.4. Выводы к первой главе 43
ГЛАВА 2. Метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов ... 45
2.1. Общие положения 45
2.1.1. Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов 46
2.1.2. Оценка остаточного ресурса объектов 48
2.1.3. Характеристики экспоненциального распределения 49
2.2. Вычисление показателей безотказности и долговечности с учетом режимов работы ЭРИ 50
2.2.1. Обобщенная модель показателей безотказности и долговечности 50
2.2.2. Вычисление показателей безотказности ЭРИ
2.2.3. Вычисление показателей безотказности нерезервированных систем 58
2.2.4. Вычисление показателей безотказности резервированных систем 59
2.2.5. Методика определения остаточного ресурса 60
2.2.6. Вычисление времени до усталостного разрушения выводов ЭРИ
2.3. Метод анализа показателей безотказности и долговечности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов 66
2.4. Выводы ко второй главе 69
ГЛАВА 3. Автоматизированная подсистема обеспечения показателей безотказности и долговечности РЭС асоника -Б 70
3.1. Структура автоматизированной системы АСОНИКА 71
3.2. Разработка структурной схемы автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Б 74
3.3. Входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Б 76
3.4. Алгоритмы автоматизированного анализа показателей безотказности и долговечности РЭС 78
3.5. Организация и структура справочной базы данных 84
3.6. Выводы к третьей главе 96
ГЛАВА 4. Методика обеспечения показателей безотказности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов ... 97
4.1. Структура методики обеспечения показателей безотказности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов 97
4.2. Пример применения методики обеспечения показателей безотказности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов 102
4.3. Внедрение результатов диссертационной работы 109
4.4. Выводы к четвертой главе 111
Заключение 112
Список литературы
- Обзор методов и программных средств для обеспечения показателей надежности радиоэлектронных средств
- Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов
- Входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Б
- Пример применения методики обеспечения показателей безотказности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Нынешняя международная обстановка требует создания высокоскоростных военных подвижных объектов, на борту которых должны быть установлены самые современные радиоэлектронные средства (РЭС). Такие РЭС отличают жесткие условия эксплуатации и, прежде всего, интенсивные тепловые, механические и др. воздействия, которые, как показывает статистика, вызывают до 50% отказов РЭС. Такой высокий процент отказов объясняется многими причинами, но главной из них является применение устаревших подходов к проектированию. В результате часто не выполняются требования нормативно-технической документации по тепловым, механическим и др. характеристикам конструкций РЭС. Положение усугубляется жесткими ограничениями по срокам и стоимости проектных работ. Чтобы найти выход из создавшейся ситуации, нужно было прежде всего проанализировать процесс разработки РЭС на отечественных предприятиях и затем уже искать новые подходы к проектированию.
Задача обеспечения надежности РЭС является одной из важнейших задач проектирования. Количественная оценка показателей безотказности и долговечности РЭС предусмотрена нормативно-техническими требованиями к их промышленной разработке, производству и эксплуатации. Это необходимо для объективной и научно обоснованной оценки существующего уровня надежности и безопасности РЭС и выработки, обоснования и оптимизации различных управленческих решений, направленных на их повышение.
Отказы техники вызывают большие потери средств, сил и времени из-за разрушения объектов, необходимости проведения восстановительных работ и связанных с ними простоев оборудования, ущерба от невыполнения определенных задач. Кроме того, недостаточная надежность технических устройств отрицательно влияет на безопасность их эксплуатации.
Проблема надежности по своей сути является комплексной, системно-технической, так как она непосредственно связана с процессами проектирования, опытной отработки, производства и использования техники. Совокупность общих методов, позволяющих создавать технические устройства с высокой надежностью и рассчитывать ее количественные показатели, составляет основу теории надежности. Таким образом, условно в проблеме надежности можно выделить два направления: обеспечение надежности и ее расчет (контроль). Если первое направление основывается на решении традиционных конструкторских и технологических задач по созданию высококачественных изделий и правильной их эксплуатации, то второе связано в основном с применением специальных математических методов.
В настоящее время расчет надежности радиоэлектронных средств проводится на основе СПРАВОЧНИКА «Надежность ЭРИ», его автоматизированной версии или системы АСРН РНИИ «ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ». В базе данных (БД) системы содержится вся необходимая информация для расчета надежности отечественных электрорадиоизделий (ЭРИ) и аппаратуры различных классов.
В последнее время расчеты надежности зарубежных ЭРИ все чаще проводят на основе MIL-HDBK-217F или систем автоматизированного проектирования (САПР) зарубежного производства. Так, в состав САПР CADENCE входит подсистема RELIABILITY расчета надежности ЭРИ. В БД подсистемы содержится вся необходимая информация для расчета надежности зарубежных ЭРИ. Однако, в отличие от системы АСРН, в БД подсистемы RELIABILITY не содержатся типономиналы ЭРИ, что вызывает такие же трудности расчета надежности, что и при использовании системы АСРН, связанные с идентификацией ЭРИ (определения его соответствия классификации ЭРИ в MIL-HDBK-217F). Кроме того, высокая стоимость САПР зарубежного производства существенно ограничивает возможность их применения на отечественных предприятиях для расчетов надежности РЭС.
Существует также подсистема АСОНИКА-К, которая позволяет проводить анализ показателей безотказности с использованием базы данных ЭРИ.
Но главной проблемой, которая стоит перед проектировщиком РЭС при работе с указанными системами, отсутствие при анализе показателей безотказности учета реальных режи-
4 мов работы ЭРИ в условиях эксплуатации при воздействии внешних дестабилизирующих; факторов, а также отсутствие анализа показателей долговечности. Такой учет можно осуществить только на основе комплексного моделирования разнородных физических процессов в РЭС (электрических, тепловых, механических, радиационных и др.). Поэтому необходимо создать подсистему для анализа показателей безотказности и долговечности РЭС в рамках уже существующей системы комплексного моделирования физических процессов. На сегодняшний день в России такой системой является автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА, не имеющая аналогов как в России, так и за рубежом. Кроме того, для анализа показателей безотказности и долговечности требуется большой объем исходных данных для ЭРИ (конструктивных, технологических, схемотехнических), что требует решения вопроса автоматизации подготовки и конвертирования данных из других подсистем системы АСОНИКА.
Проблемы автоматизированного проектирования РЭС, на основе исследования в них физических процессов, рассматривались в работах Андреева А.И., Вермишева Ю.Х., Дульнева Г.Н., Жаднова В.В., Журавского В.Г., Зольникова В.К., Кечиева Л.Н., Кожевникова A.M., Кона-вальчука А.С., Кофанова Ю.Н., Крищука В.Н., Мыровой Л.О., Норенкова И.П., Петрова Б.В., Разевига В.Д., Стрельникова В.П., Талицкого Е.Н., Тартаковсого A.M., Тумковского СР., Увай-сова СУ., Шрамкова И.Г., Шалумова А.С и др. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику автоматизированного проектирования РЭС и математического моделирования физических процессов в РЭС. Однако при этом перечисленными авторами не достаточно уделено внимания проблеме комплексного моделирования в виде связей разнородных физических процессов в соответствии с реальным влиянием этих процессов на безотказность и долговечность РЭС.
Таким образом, для создания конкурентоспособных и высоконадежных РЭС актуальной проблемой является решение задач автоматизированного обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, как на программном, так и на методическом уровнях, а также их согласование с идеологией СЛіЗ-технологий.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств за счет автоматизации анализа и обеспечения показателей безотказности и долговечности по результатам комплексного компьютерного моделирования физических процессов в РЭС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Проведение исследований моделей показателей безотказности и долговечности различных групп ЭРИ (интегральных микросхем, полупроводниковых изделий, изделий квантовой электроники, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и др.) с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических моделей безотказности РЭС. Отбор набора входных данных, который может быть получен из результатов моделирования физических процессов в существующих САПР.
-
Разработка методики определения остаточного ресурса РЭС.
-
Разработка метода анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов. і
-
Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадио-изделий.
-
Разработка справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечност ЭРИ.
-
Разработка методики обеспечения показателей безотказности и долговечности ра диоэлектронньгх средств на основе комплексного моделирования физических процессов.
-
Внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практик проектирования РЭС на промышленных предприятиях.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, теории надежности, объектно-ориентированного программирования.
Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
-
Разработана оригинальная методика определения остаточного ресурса РЭС, которая позволяет учесть колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и электрорадиоизделий.
-
Разработан метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, который в отличие от существующих учитывает тепловые, механические, электрические, радиационные режимы работы электрорадиоизделий в условиях эксплуатации и хранения.
-
Разработана структура автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадиоизделий, отличающейся от существующих наличием интерфейсов импорта структуры РЭС, а также значений результатов моделирования механических, тепловых, электрических процессов, воздействия радиационного излучения на РЭС из других подсистем САПР АСОНИКА.
-
Разработана структура справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ, отличающейся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ и моделей для расчета их показателей безотказности и долговечности, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ.
-
Разработана методика обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования высоконадежных РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям безотказности.
Практическая полезность работы состоит в том, что использование созданного метода и программных средств автоматизированного анализа безотказности и долговечности РЭС позволяет повысить эффективность проектирования высоконадежной аппаратуры и сократить сроки проектирования с соблюдением требований НТД по показателям надежности, и как следствие уменьшить стоимость разработок таких изделий.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методика и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НИЦЭВТ» (г. Москва) при проектировании многоэтажных шкафов, а также при проектировании блоков радиоэлектронных средств ФГУП «КБ Машиностроения» (г. Коломна), ОАО «НПП «Волна» (г. Москва), ООО «НПП «Прима» (г. Нижний Новгород), ОКБ ИРЗ (г. Ижевск).
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и используются при выполнении студентами специальности «Управление качеством» курсовых и дипломных работ.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: IV, V и VI Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2005 г., 2006 г., 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники (New design methodologies)» (г. Владимир, 2004 г.), Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (г. Москва, 2006 г.), Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ-2008» (г. Нижний Новгород, 2008 г.), 51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва - Долгопрудный, 2008 г.), XXVIII
студенческой научно-технической конференции «Новые информационные технологии и САПР» (г. Ковров, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 2 монографии.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.
Обзор методов и программных средств для обеспечения показателей надежности радиоэлектронных средств
Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности (в соответствии с уровнем развития техники) реально, и это является важнейшей научной и технической задачей. Повышение уровня надежности РЭС достигается прежде всего устранением причин, вызывающих в ней отказы, т. е. сведением к минимуму (или полной ликвидации, если это возможно) конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок. Влияние на показатели надежности РЭС указанных видов ошибок неравнозначно, и для их снижения имеются не равные возможности.
Методы обеспечения надежности при конструировании. Принципиальные основы надежности РЭС закладываются на этапе ее конструирования. Этот этап имеет определяющее значение для, качества будущего изделия. Только конструкция определяет, «фундамент надежности». Улучшить, показатели надежности РЭС, заложенные в конструкции, невозможно ни в процессе ее изготовления, ни в процессе эксплуатации. Поэтому на этапе конструирования необходимо тщательно контролировать надежность создаваемого изделия. Всесторонние испытания опытных образцов и их экспериментальная доводка по результатам этих испытаний являются важнейшими и наиболее ответственными этапами конструирования. Они предопределяют надежность изделий в серийном производстве. К выполнению работ этого этапа следует относиться особенно тщательно и объективно, поскольку даже незначительные ошибки, допущенные разработчиком, устранить при серийном производстве РЭС чрезвычайно сложно. К тому же это приводит к большим производственным материальным затратам.
Важным фактором в повышении надежности РЭС является технологичность её конструкции. Мало создать даже самую совершенную конструкцию, необходимо ее спроектировать так, чтобы она была приспособлена к серийному выпуску на серийных заводах с использованием типовых технологических процессов и стандартного оборудования. Хорошо освоенные технологические процессы и отлаженное производство гарантируют выпуск, изделий высокого качества.
Увеличению надежности РЭС способствуют ее унификация и стандартизация. Они являются одним из важнейших показателей технического уровня РЭС. Стандартизация основывается на объединенных результатах науки, техники и практического опыта. Она определяет основу не только настоящего, но и будущего развития в соответствии с техническим прогрессом. Стандартизация является критерием качества промышленных изделий.
Надежность РЭС существенно повышается, если при ее конструировании удаётся соблюсти принципы равнопрочности или кратности сроков службы составляющих ее компонентов. Очевидно, что в идеальном случае хорошо иметь такую конструкцию, в которой все компоненты имели бы не только большой, но и равный срок службы. Тогда по его истечении РЭС просто надо было бы заменить новой и в идеальном случае вообще не ремонтировать. Но в большинстве практических случаях это технически недостижимо. Более того, это не всегда и экономически целесообразно, если стоимость элементов и узлов конструкции существенно различается.
На практике поступают следующим образом. В процессе конструирования РЭС стараются применить такие элементы и узлы, срок службы которых был бы не менее срока службы РЭС и кратен ему. Компоненты РЭС разбивают на группы с примерно одинаковым сроком службы. В эти группы могут входить одновременно и элементы, и узлы. Единственным объединяющим их принципом является срок службы. Число образованных таким образом групп стараются минимизировать.
Важным фактором повышения надежности РЭС на этапе конструирования является равномерное распределение нагрузок на составляющие ее компоненты, поскольку интенсивность отказов последних во многом зависит от условий их работы.
Нагрузки, действующие на РЭС, можно условно разделить на две группы: первые приводят к постепенным отказам, вторые — к внезапным. Нагрузки, вызывающие постепенные отказы, обусловлены в основном влиянием внешней среды — климатическими факторами, естественной и искусственной радиацией и т.п. При их длительном воздействии на РЭС независимо от того, работает устройство или находится в нерабочем состоянии, в его элементах и узлах происходят необратимые изменения. Так, сопротивления резисторов могут отклоняться от своих номиналов на 60% и более, емкости конденсаторов — на 80%, коэффициент передачи тока базы и обратный ток коллектора транзисторов — на 100% [28]. Исключить влияние таких воздействий при конструировании можно только частично (например, усиленной герметизацией, установкой специальных экранов и т. п.).
Нагрузки, вызывающие внезапные отказы, проявляются в основном при работе РЭС. К нагрузкам относятся электрические, механические, тепловые, магнитные и прочие перегрузки; они уменьшают прочность компонентов РЭС и усиливают их износ. Уменьшение вредного влияния нагрузок второй группы зависит прежде всего от разработчика, поскольку их в значительной мере можно упредить. Эффект от этого получается значительным. Например, снижение тепловых нагрузок всего на 20% увеличивает надежность РЭС в среднем в 2—2,5 раза.
Простота конструкторских решений — залог надежности. Поэтому всякий раз, когда это возможно, следует отдавать предпочтение схемам, содержащим меньшее число элементов, а сами схемы проектировать таким образом, чтобы чувствительность их выходных параметров к изменению параметров комплектующих элементов была наименьшей. Последнее способствует снижению постепенных отказов в РЭС.
Осуществляя приработку, надо стремиться к тому, чтобы условия приработки максимально отражали режимы работы изделия в условиях реальной эксплуатации, включая режимы допустимых перегрузок. Следует с большой осторожностью относиться к интенсификации приработочного периода, поскольку неоправданные перегрузки могут привести к значительному снижению ресурса РЭС и преждевременному появлению отказов в период ее нормальной эксплуатации.
Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов
Опыт эксплуатации технических систем показывает, что назначенные показатели долговечности и срока службы для многих видов технических систем, в том числе важных информационных систем и систем управления, оказываются весьма заниженными вследствие погрешностей методов прогнозирования надежности или в связи с более облегченными условиями эксплуатации. Это приводит к преждевременному прекращению применения технических систем по назначению и, как следствие, к неэффективному использованию материальных средств, затраченных на разработку, производство и эксплуатацию таких систем. В связи с этим важное практическое значение имеет оценка ожидаемой остаточной наработки (ресурса, срока службы) я{т), то есть наработки объектов после момента г, если до этого момента они не отказали (не достигли предельного состояния). Знание остаточной наработки позволяет более эффективно обеспечивать дальнейшую эксплуатацию объектов, планировать сроки замены или профилактических мероприятий. Очевидно, что я-(г) относится лишь к объектам, которые не отказали (не достигли предельного состояния) до момента времени г . Как известно, распределение остаточной наработки этих объектов можно получить из первоначального распределения наработок (ресурса).
Поскольку остаточный ресурс tT является случайной величиной, то основной его характеристикой представляется функция распределения F(t\r), представляющая собой условную функцию распределения вероятностей, которая может быть представлена плотностью распределения остаточного ресурса r(t) или условной вероятностью безотказной работы R(t\T) = l-F(t\T), которую принято называть остаточной функцией надежности. В качестве основного показателя остаточного ресурса принято рассматривать средний остаточный ресурс літ), определяемый как математическое ожидание остаточного ресурса после наработки г.
Экспоненциальный закон характеризуется чрезвычайной математической простотой. В этом состоит его основная привлекательность для практического применения, однако необходимо критически подходить к применению этой модели т.к. экспоненциальный закон распределения не учитывает предыстории. Вероятность безотказной работы R№0 в интервале времени д? не зависит от наработки ( к началу интервала времени + д : (A0=eXpW + A0)=exp(-l-A0 ехр(-Л-0 . (2.Ц) Таблица 2.1 Характеристика экспоненциального распределения Плотность вероятности Л0 = Я-ехрМ0 Модель отказов (функция распределения наработки до отказа) Л7) = 1-ехр(-/1-0 Модель надежности (вероятность безотказной работы) Д(?) = ехр(-Л-/) Математическое ожидание мт 4 Дисперсия од 4 Коэффициент вариации F[/]=I Коэффициент асимметрии 4=2 Коэффициент эксцесса ,=9
В теории надежности различают надежность системы в целом и надежность элементов, входящих в эту систему.
Системой называется совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающая выполнение определенных практических задач, при этом объектом понимают различные взаимодействующие технические устройства.
Одновременно с термином «система» употребляют аналогичные по смыслу термины «аппаратура» и «устройства», однако обобщающим в приборостроении является термин «радиоэлектронное средство».
Также системы могут быть с резервированием и без резервирования. Элементом называется часть системы, не имеющая самостоятельного эксплуатационного назначения и выполняющая в ней некоторые функции. Для практического использования любого элемента необходимо соединение его с другими элементами в определенную систему. Модель показателей безотказности и долговечности, F5 РЭС Резервирование (блока, ПУ пли
Модель показателей безотказности и долговечности РЭС Элементами в РЭС являются различные электрорадиоизделия, например, резисторы, конденсаторы, интегральные микросхемы, кабели, реле, а также более сложные конструкции, входящие в состав устройств. При анализе надежности блочных и функциональных систем в качестве элементов могут рассматриваться отдельные печатные узлы (ПУ), блоки. Одно и то же устройство в зависимости от решаемой задачи может рассматриваться либо как система, либо как элемент.
Количественно надежность характеризуется показателями надежности, отражающими те или иные ее свойства [12-14]. На рис. 2.1 приведена обобщенная модель показателей безотказностей и долговечности РЭС (FS).
Входные и выходные данные автоматизированной подсистемы АСОНИКА-Б
При разработке автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов был выбран подход, основанный на применении интегрированного программного обеспечения, важнейшую компоненту в котором составляют системы управления базами данных (СУБД).
Основной функцией любой СУБД является поддержка независимости, целостности и непротиворечивости данных в условиях коллективного использования. Независимость данных понимается как способность СУБД создавать различные представления об одних и тех же хранимых данных, остающихся инвариантными к изменениям среды функционирования базы данных (БД).
Концепция БД позволяет создавать интегрированные информационные системы, поддерживающие сложные и разнообразные структуры объектов предметной области, содержащие большое число типов данных, значительные объемы информации, ,а также сделать реальной задачу обеспечения высокой достоверности обработки и хранения больших объемов данных.
За основу была взята методология проектирования информационных систем на основе концептуального (понятийного) моделирования предметной области. Эта методология представляет собой структурированный процесс создания систем, который обычно разбивается на следующие шаги: анализ, проектирование, программирование,. тестирование, внедрение.
При концептуальном проектировании предметной области и применении технологии БД наиболее сложной задачей является выявление информационных и функциональных (динамических) связей между объектами реального мира.
Информационная структура предметной области содержит все объекты и их связи, которые необходимы для построения информационной системы (ИС), а функциональная структура определяет, каким образом используются и обрабатываются эти объекты. Информационная и функциональная структуры совместно обеспечивают полную спецификацию информационной системы.
Первый очень важный этап разработки, так как именно здесь разработчики должны понять, что должна делать система, какие у нее особенности, какие ситуации предметной области должны моделироваться в базе данных.
На втором этапе разработчики системы должны определить устойчивые свойства данных и описать информационные и технологические процессы, использующие данные, их взаимосвязь и характеристики. Здесь основной задачей является получение формального (независимого от СУБД) описания предметной области, которая должна моделироваться в БД.
Основной проблемой третьего этапа является принятие решений о выделении из множества понятий концептуальной модели предметной области таких объектов, которые должны моделироваться в БД. Результаты, полученные на первых трех этапах, имеют фундаментальный характер и не изменяются при развитии технической и программной базы ИС. Напротив, заключительный этап проектирования тесно связан с возможностями инструментальных средств конкретных СУБД. Данный этап в свою очередь разбивают на следующие шаги: логическое проектирование БД; физическое проектирование БД; реализация приложений.
Справочная часть БД разрабатываемой подсистемы предназначена для хранения информации об ЭРИ, которая необходима для проведения расчета показателей безотказности и долговечности как каждого ЭРИ, так и блока, ПУ или РЭС в целом. Поэтому справочная часть БД должна содержать: номенклатуру ЭРИ, расположенных по функциональным группам (подгруппам), объединенных по общности их назначения, основным параметрам и конструктивно-технологическому исполнению; полные условные записи ЭРИ; обозначение документа на поставку (ТУ, ОТУ); математические модели для расчета (прогнозирования) значений эксплуатационной интенсивности отказов групп (типов) ЭРИ, в том числе и при хранении в различных условиях; математические модели для расчета показателей безотказности и долговечности конструкций (ПУ, блок, РЭС), а также резервированных систем. информацию о показателях надежности ЭРИ и коэффициентах моделей. Информация о показателях надежности ЭРИ и коэффициентах моделей включает в себя: значения базовой интенсивности отказов групп (типов) ЭРИ; значения интенсивности отказов групп изделий при хранении в условиях отапливаемого хранилища в упаковке предприятия-изготовителя ЭРИ; распределение отказов групп изделий по видам (по результатам проведения различных категорий испытаний); значения коэффициентов, входящих в модели прогнозирования эксплуатационной надежности ЭРИ, и аналитические выражения, показывающие зависимость этих коэффициентов от учитываемых факторов; нормируемые в технических условиях (экспериментально полученные) значения гамма-процентной наработки до отказа (интенсивности отказов), гамма-процентного срока сохраняемости изделий, а по изделиям, разработанным в соответствии с требованиями комплекса стандартов «Климат-6», - значения минимальной наработки, гамма-процентного ресурса и минимального срока сохраняемости; коэффициенты замен (среднестатистическую долю отказавших ЭРИ среди заменяемых в процессе поиска неисправности и ремонта аппаратуры) в условиях эксплуатации. Кроме этого СУБД должна обеспечивать 1) максимально быстрый ввод параметров ЭРИ; 2) возможность создания дополнительных таблиц, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ, без участия программиста. Основу БД составляют базовые таблицы, содержащие информацию обо всех необходимых параметрах и модели для проведения расчета показателей безотказности и долговечности РЭС и принятия решения об обеспечении надежности РЭС.
Пример применения методики обеспечения показателей безотказности РЭС на основе комплексного моделирования физических процессов
Основными научными и практическими результатами, полученными в данной главе, являются: Разработана методика обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования высоконадежных РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям безотказности и долговечности. Разработанная методика имеет быстрый и доступный разработчику способ формирования проекта по расчету показателей безотказности и долговечности РЭС, а также графический интерфейс вывода результатов, позволяющая в минимальные сроки и с минимальными затратами принимать решение об изменении конструкции РЭС, включая ввод резервов, с целью обеспечения требуемой надежности РЭС в условиях эксплуатации. осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.
Разработанная методика уменьшает влияние человеческого фактора на адекватность результатов моделирования, что приводит к повышению показателей надежности разрабатываемой аппаратуры.
Разработанная методика предоставляет меньшую трудоемкость операций ввода исходных данных для расчета показателей безотказности РЭС и анализа результатов моделирования. Сокращение времени при этом; в общем, по сравнению с ручным заполнением исходных данных, составляет до 95% на ввод и редактирование конструкции и до 80% на анализ результатов в зависимости от опыта пользователя.
Главным результатом диссертационной работы является повышение эффективности проектирования высоконадежных радиоэлектронных средств за счет автоматизации анализа и обеспечения показателей безотказности и долговечности по результатам комплексного компьютерного моделирования физических процессов в РЭС, и как следствие сокращение сроков и стоимости разработки РЭС.
Основные научные, теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:
1. Проведено исследование моделей показателей безотказности и долговечности различных групп электрорадиоизделий (интегральных микросхем, полупроводниковых изделий, изделий квантовой электроники, резисторов, конденсаторов, трансформаторов и др.) с целью определения исходных данных, необходимых для построения параметрических моделей безотказности РЭС. Сформирован набор входных данных, который может быть получен из результатов моделирования физических процессов в существующих САПР.
2. Разработана оригинальная методика определения остаточного ресурса РЭС, которая позволяет учесть колебания электрических характеристик схем и температур окружающей среды и электрорадиоизделий.
3. Разработан метод анализа показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, который в отличие от существующих учитывает тепловые, механические, электрические, радиационные режимы работы электрорадиоизделий в условиях эксплуатации и хранения.
4. Разработана и реализована структура автоматизированной подсистемы обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств с учетом реальных режимов работы электрорадиоизделий, отличающейся от существующих наличием интерфейсов импорта структуры РЭС, а также значений результатов моделирования механических, тепловых, электрических процессов, воздействия радиационного излучения на РЭС из других подсистем САПР АСОНИКА.
5. Разработана и реализована структура справочной базы данных по параметрам безотказности и долговечности ЭРИ, отличающейся от существующих наличием полных условных записей ЭРИ и моделей для расчета их показателей безотказности и долговечности, возможностью создания дополнительных таблиц параметров ЭРИ, содержащих числовые, строковые, функциональные, логические, текстовые данные об ЭРИ.
6. Разработана методика обеспечения показателей безотказности и долговечности радиоэлектронных средств на основе комплексного моделирования физических процессов, отличающаяся от существующих возможностью существенно повысить эффективность проектирования высоконадежных РЭС и сократить сроки проектирования с соблюдением требований нормативно-технической документации (НТД) по показателям безотказности и долговечности.
7. Осуществлено внедрение разработанного программного и методического обеспечения в практику проектирования РЭС на промышленных предприятиях.
Основные результаты диссертационной работы (метод, алгоритмы, методика и программное обеспечение) внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НИЦЭВТ» (г. Москва) при проектировании многоэтажных шкафов, а также при проектировании блоков радиоэлектронных средств ФГУП ИЗ «КБ Машиностроения» (г. Коломна), ОАО «НЛП «Волна» (г. Москва), ООО «НЛП «Прима» (г. Нижний Новгород), ОКБ ИРЗ (г. Ижевск).
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики и используются при выполнении студентами специальности «Управление качеством» курсовых и дипломных работ.
В 2009 году проект «АСОНИКА», в состав которой входит разработанная подсистема АСОНИКА-Б, явился победителем Конкурса русских инноваций 2009. В 2005 году на V Московском Международном салоне инноваций и инвестиций проект «АСОНИКА» был награжден серебряной медалью.
В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю д.т.н., профессору Шалумову Александру Славовичу за научное руководство в процессе работы над диссертацией и за постоянное внимание и направление моей научной деятельности.
