Software & Systems

При эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) возможен отказ, место и время появления которого практически невозможно предугадать. В этом случае возникает задача локализации отказа аппаратуры. Существует мнение, что современная РЭА практически полностью охвачена элементами контроля и диагностирования и решение данной задачи особого труда не составляет, однако опыт ее эксплуатации показывает, что в действительности это не так.

Эффективность эксплуатации РЭА определяется уровнем подготовки обслуживающего персонала, то есть глубиной знания аппаратуры и основных принципов локализации отказа, умением использовать внешние панели устройств при настройке и проверке технического состояния, опытом эксплуатации аппаратуры. Однако подготовка специалистов по эксплуатации техники (обслуживающего персонала) практически не совершенствуется, а в условиях реформирования военного образования может даже ухудшиться. В результате существующий уровень подготовки персонала, обслуживающего сложную РЭА, не соответствует требуемому.

Одним из подходов к снижению влияния данного несоответствия является применение системы поддержки принятия решения технического диагностирования, другими словами, автоматизированной системы управления техническим диагностированием. В свою очередь, это требует разработки методологического подхода к формализации процесса локализации отказа РЭА.

Для формализованного описания процесса локализации отказа РЭА необходимо проанализировать процесс локализации отказа аппаратуры, разработать диагностическую модель РЭА, обеспечивающую формализованное решение задачи локализации отказа, и математический аппарат поддержки принятия решения при локализации отказа на основе данной диагностической модели.

Анализ процесса локализации отказа РЭА выполнен с использованием работ [1–5]. Принципиальные различия в построении аналоговой и цифровой частей, и в первую очередь их контрольно-диагностических составляющих, позволяют говорить о наличии различных подходов к локализации отказа.

В работе конструкций аналоговых устройств заложены основные принципы обработки сигналов, например выделение сигнала цели и ракеты из состава принятого радиолокатором, усиление сигнала, получение информации о координатах и параметрах движения цели и ракеты. Функциональная часть аналоговых устройств представляет собой строго последовательные тракты прохождения сигналов через обрабатывающие устройства. Контрольно-диагностическая часть в недостаточной мере обеспечивает своевременную фиксацию отказа аппаратуры. При этом следует отметить, что в аналоговой части аппаратуры достаточно сильно развита система доступа к контрольным точкам с помощью органов управления и контроля, расположенных на внешних панелях блоков. Она обеспечивает настройку и контроль параметров, определяющих работоспособность аппаратуры. Применительно к радиотехническим системам анализ локализации отказа аналоговой части аппаратуры представляет собой следующую последовательность действий:

–      распознавание функциональной задачи, которую не выполняет РЭА;

–      определение ряда параметров, различным образом связанных с данной функциональной задачей;

–      проверка выбранных параметров и определение среди них параметров с отклонениями от требований нормативно-технической документации;

–      определение функций (сигналов), участвующих в формировании этих параметров;

–      определение элементов замены, отвечающих за формирование функций (считается, что именно они являются источником отказа);

–      проверка правильности локализации отказа.

Основной задачей цифровой части РЭА является организация вычислительного процесса с данными, которые представляют собой, как правило, оцифрованные сигналы, поступающие с аналоговой части аппаратуры. Цифровая часть выполнена в виде функциональных узлов, объединенных в модули со строго распределенными задачами: долговременное хранение информации, оперативное хранение информации, организация обмена с внешними и внутренними абонентами, выполнение арифметических, логических и других операций. В отличие от аналоговой части изделия контрольно-диагностическая составляющая цифровой части является наиболее развитой. Она содержит аппаратурный и программный контроль. В совокупности оба контроля обеспечивают требуемую глубину проверки техники компенсацией недостатков одного вида контроля достоинствами другого. Для цифровой части РЭА локализация отказов выглядит следующим образом:

–      проверка технического состояния изделия;

–      проверка технического состояния модулей и межмодульных связей;

–      анализ содержимого регистров состояния (словосостояния, диагностики);

–      локализация функционально законченного узла модуля;

–      локализация неработоспособных элементов в аппаратуре;

–      анализ отказа.

В результате общего анализа получаем следующие концептуальные положения:

1)    РЭА создается для решения функциональной задачи;

2)    функциональные задачи связаны с параметрами работоспособности РЭА;

3)    параметры работоспособности РЭА связаны с функциями ее элементов;

4)    РЭА имеет строго иерархическую структуру;

5)    функция реализуется посредством физической структуры (элемента аппаратуры);

6)    отказ аппаратуры означает невыполнение функциональной задачи, нахождение параметра работоспособности за пределами допуска и отсутствие функции элемента аппаратуры.

Данные положения будем использовать для решения задачи формализованного описания процесса локализации отказа.

Согласно четвертому и пятому концептуальным положениям, модель аппаратуры должна нести информацию о взаимном расположении и функциональном назначении элементов аппара- туры. Модель, обеспечивающую выполнение данных требований, будем называть структурно-функциональной моделью. Ее назначением является описание структуры (составляющих элементов) и функций (назначений составляющих элементов) РЭА – вплоть до сигналов (входных и выходных). Для создания структурно-функцио­нальной модели аппаратуры необходимо решить задачу формализации РЭА, то есть осуществить переход от конкретных разнотипных элементов изделия к формальным (абстрактным) однотипным. Наиболее просто данная задача решается с использованием графов. В общем понятии граф – это система точек, некоторые из которых соединены отрезками. Точки именуются вершинами, а отрезки – ребрами. В качестве математического представления графов, как правило, используют матрицы смежности вершин, матрицы смежности ребер и матрицы инцидентности [5]. Существуют и другие способы описания графов, однако они не учитывают функциональное назначение элементов и ограничиваются лишь описанием их взаимного расположения. Следствием этого является отсутствие возможности идентификации элементов графа по функциональным признакам и идентификации состояния графа как объекта определенного функционального назначения. Таким образом, построение структурно-функциональной модели РЭА подразумевает решение двух частных задач [4]:

–      переход от РЭА к графу (данный переход должен обеспечить представление элементов РЭА в виде элементов графа и функций (сигналов) элементов РЭА в виде функций элементов графа);

–      создание модели графа, описывающей как взаимное расположение элементов, так и их функциональное назначение.

Для решения первой частной задачи представим типовые элементы замены аппаратуры вершинами, а электрические связи между ними – ребрами. Ребра ориентируем в соответствии с направлением прохождения сигналов в аппаратуре. Электрические узлы разветвления и объединения также представим в виде вершин графа.

Для примера рассмотрим простейшую схему (рис. 1), в которой присутствуют основные варианты электрических связей элементов: разветвление, объединение, а также прямая и обратная связи.

Соответствующий схеме структурный граф (СГ) изображен на рисунке 2.

Таким образом, для любой РЭА можно построить соответствующий СГ, используя правило: вершины графа представляют собой структурно неделимые на данном уровне иерархии элементы изделия и электрические узлы разветвления и объединения, а ребра – электрические связи между ними.

Вторая частная задача построения структурно-функциональной модели РЭА решается в три этапа [4]:

1) описание элементов СГ и их взаимного расположения;

2) описание функционального назначения элементов графа;

3) совмещение результатов первого и второго этапов.

Первый этап. Допустим, имеется граф из n+m+1 элементов (рис. 3), в котором Sn+m+1 – вершина; s1, s2, … si, …, sn – входящие в вершину ребра; sn+1, sn+2, … sn+g, …, sn+m – выходящие из вершины ребра. В общем случае n¹m. Очевидно, что семейство входящих ребер связано с семейством выходящих ребер и элементом связи является вершина. Используя основные операторы алгебры высказываний, формально опишем семейства ребер с помощью оператора логического сложения Ú, а их взаимосвязь – с помощью оператора логического умножения &.

Оператор эквиваленции Û установит соответствие между вершиной и ребрами с учетом их взаимосвязи:

Sn+m+1Û (s1Ús2Ú…ÚsiÚ…Úsn) &

& (sn+1Úsn+2Ú … Úsn+gÚ … Úsn+m).                      (1)

Выражение (1) можно прочитать следующим образом: Sn+m+1 – это вершина, которая устанавливает взаимосвязь между ребрами s1, s2, …, si, …, sn и sn+1, sn+2, …, sn+j, …, sn+m.

Аналогичным образом можно описать ребро графа.

Набор связанных определенным образом элементов будет представлять собой систему из уравнений вида (1).

Второй этап. Опишем элемент графа следующим уравнением:

F=S*(A),                                                                   (2)

где F – множество значений функции; S* – функция элемента; A – множество определений функции.

В общем случае функциональным предназначением s* элемента графа s будем считать отображение множества A в F:

                                                  (3)

или

  (4)

Третий этап. Совместим уравнения (1) и (4) следующим образом:

(5)

Поясним справедливость такого совмещения. В левой части выражения (5) элемент графа sn+m+1 предназначен для выполнения функции s*n+m+1, следовательно, sn+m+1 и s*n+m+1 неразрывно связаны друг с другом. При этом несостоятельность одного из них неминуемо влечет за собой несостоятельность другого. Математически это реализуемо с помощью оператора логического умножения &.

В правой части выражения (5) элемент графа si соединен с элементом sn+m+1 в целях создания для последнего определения функции ai. Аналогичным образом элемент графа sg соединен с элементом sn+m+1 в целях приема от последнего значения функции fg. Математически неразрывная связь между si и ai, а также sg и fg реализуема с помощью оператора логического умножения &. Оператор  назовем оператором логического перемещения. Он выполняет одновременно два действия – отображение и логическое умножение, то есть () & (&). Причем () указывает, какое воздействие производится, а (&) – как оно воздействует.

В результате получаем, что отсутствие выражения с правой либо с левой стороны знака  влечет за собой отсутствие всей правой части выражения (5), то есть

              (6)

или

(7)

В общем случае структурный граф из k элементов опишется системой из k уравнений:

      (8)

где q, r, …, n – количество элементов si, обеспечивающих формирование набора определений ai для элементов s1&s1*, s2&s2*, …, sk&sk* соответственно; h, t, …, m – количество элементов sg, обеспечивающих получение набора значений fg для элементов s1&s1*, s2&s2*, …, sk&sk* соответственно.

Перейдем от функций типовых элементов замены РЭА (сигналов на входах и выходах) к функциям элементов графа (ai и fg), а также от самих элементов РЭА к элементам графа. В результате получим структурно-функциональную модель аппаратуры, которая представляет собой систему уравнений (8).

Из четвертого, пятого и шестого концептуальных положений вытекает, что исходными данными для локализации отказа РЭА должны быть значения функций элементов аппаратуры на требуемом уровне иерархии структуры. Формально эти данные можно представить в виде вектора подозреваемых (в отсутствии) значений функций:

,                                                       (9)

где Вuпфq – q-й элемент вектора подозреваемых значений функций; u – уровень иерархии элементов аппаратуры [5].

Вектор Впф представляет собой матрицу в один столбец. Его содержимое позволяет сформировать математическую модель СГ, характеризующего предполагаемое состояние изделия. Формирование основывается на изменениях, вносимых в системы уравнений (8). Если установлено, что некоторые значения функций подозреваются в невыполнении, то на основе эталонной системы (8), описывающей РЭА в работоспособном состоянии, можно получить систему предполагаемого состояния, которая описывает аппаратуру в неработоспособном состоянии. Для этого приравняем в выражениях системы (8) значения подозреваемых в невыполнении функций к нулю.

Для получения элементов S&S* СГ, в котором определены отсутствующие значения функций, необходимо из правой части системы уравнений, описывающей СГ изделия в работоспособном состоянии, поэлементно вычесть правую часть системы уравнений, описывающей СГ изделия в предполагаемом состоянии. Данное действие осуществляется следующим образом. Из правой части каждого уравнения эталонной системы поэлементно вычитается правая часть соответствующего уравнения предполагаемой системы.

В общем случае подозреваемые в неработоспособности элементы аппаратуры при известном векторе подозреваемых значений функций определяются выражением

    (10)

где Sэталk&S*k – k-й элемент системы уравнений, описывающий элемент СГ изделия в работоспособном состоянии (эталонная система); Sпредk&S*k – k-й элемент системы уравнений, описывающей элемент СГ изделия в предполагаемом состоянии (предполагаемая система); Sподk&S*k – k-й элемент системы уравнений, описывающий элемент СГ изделия в неработоспособном состоянии (подозреваемая система) [7].

Таким образом, общий концептуальный подход к локализации отказа РЭА позволил разработать структурно-функциональную модель аппаратуры (8) и с ее помощью формально описать процесс локализации отказа (10), который заключается в следующем. Оператор формирует вектор подозреваемых в невыполнении функций (9). На его основе из эталонной системы путем приравнивания к нулю соответствующих функций формируется подозреваемая система. Подозреваемая система, позволяющая перейти к неработоспособным элементам, получается как разность эталонной и предполагаемой систем. Выполнение вышеуказанных действий на ЭВМ позволит в кратчайшие сроки выдавать обслуживающему персоналу подозреваемые в неработоспособности тепловых элементов замены РЭА.

В результате средства автоматизации системы управления техническим диагностированием включают структурно-параметрическую модель РЭА и формализованное описание процесса локализации отказа РЭА.

Литература

1.     Джейкокс Дж. Руководство по поиску неисправностей в электронной аппаратуре; [пер. с англ. А.И. Зильбермана]. М.: Мир, 1989. 176 с.

2.     Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных систем. М.: Радио и связь, 1988. 256 с.

3.     Оре О. Теория графов. М.: Наука, 1980. 336 с.

4.     Клемин А.А., Игнатьев С.В. Структурно-функциональ­ная модель радиоэлектронной аппаратуры // Актуальные проблемы вузов ВВС: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 11. М.: МО РФ, 2001.

5.     Игнатьев С.В. Об одном подходе к формализованному описанию процесса локализации отказа радиоэлектронной аппаратуры // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: Тез. докл. V Всеросс. науч.-практич. конф. Ярославль, 2004.