Software & Systems

В процессе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) возможен переход ее в неработоспособное состояние вследствие возникновения отказа. Сами отказы являются случайными событиями, место и время их появления практически невозможно предугадать. В этом случае возникает задача восстановления аппаратуры, которая включает следующие этапы: поиск неработоспособных элементов изделия (техническое диагностирование), замена неработоспособных элементов на работоспособные (текущий ремонт), послеремонтный контроль технического состояния и (или) настройка (подстройка) (техническое диагностирование и техническое обслуживание). В данной статье речь пойдет о втором этапе.

Унификация и модульный принцип построения РЭА привели к тому, что продолжительность этапа замены обнаруженных неработоспособных типовых элементов в отличие от их поиска практически не зависит от уровня подготовки обслуживающего персонала. Перечень операций, которые необходимо выполнить при замене типовых элементов, жестко регламентирован эксплуатационной документацией. Поэтому даже неопытный оператор, только что допущенный к эксплуатации изделия, знает, как решить поставленную задачу. Операторы, неоднократно менявшие неработоспособные типовые элементы, выполняют это, практически не задумываясь.

Однако, как показывает опыт эксплуатации зенитного ракетного вооружения [1], отказ одного типового элемента может быть причиной отказа следующих элементов в цепи, и оператор, производя их неупорядоченную замену, выводит из строя заведомо исправные типовые элементы. В связи с этим при выполнении текущего ремонта изделия все большую актуальность приобретает не менее интеллектуальная, чем задача поиска неработоспособных элементов, задача по распознаванию (определению) вида отказа с целью выработки порядка замены неработоспособных типовых элементов.

Для автоматизации решения задачи с использованием систем с элементами искусственного интеллекта (систем поддержки принятия решения, экспертных систем) необходимо провести анализ существующей классификации видов отказа РЭА, разработать метод распознавания видов отказа РЭА и ее диагностическую модель, обеспечивающую формализованное решение задачи распознавания вида отказа, разработать математический аппарат поддержки принятия решения при распознавании вида отказа на основе данной диагностической модели.

В систематизированном виде классификация отказов представлена в ГОСТ 27.002–89. В общем случае они подразделяются по характеру изменения параметров, по связи между собой, устойчивости, причине возникновения, по периоду эксплуатации, в котором возник отказ, и по способу обнаружения.

При восстановлении РЭА обслуживающий персонал, как правило, определяет причины возникновения ее отказа по невыполняемым функциям установлением соответствия между функциями изделия и элементами замены, отвечающими за их выполнение [1, 2]. С этой точки зрения существуют два вида отказа – независимый и зависимый. Однако опыт эксплуатации вооружения и военной техники показывает наличие отказов аппаратуры, свойства которых значительно разнообразнее указанных видов. Кроме того, большие временные показатели восстановления характерны для неработоспособного состояния аппаратуры, сопровождающегося отказом нескольких элементов замены одновременно. При этом количество параметров, находящихся за допуском, более одного. На основании этого в классификацию отказов целесообразно ввести дополнительные виды, уточняющие физическую сущность неработоспособного состояния аппаратуры.

Анализ аппаратуры образцов зенитно-ракетно­го вооружения с учетом общего понятия отказа свидетельствует о возможности возникновения следующих событий:

–      один параметр находится за пределами, установленными технической документацией, при наличии одного неработоспособного типового элемента замены (ТЭЗ);

–      несколько параметров находятся за пределами, установленными технической документацией, при наличии одного неработоспособного ТЭЗ;

–      несколько параметров находятся за пределами, установленными технической документацией, при наличии нескольких неработоспособных ТЭЗ в одной цепи зависимых сигналов (ЦЗС);

–      несколько параметров находятся за пределами, установленными технической документацией, при наличии нескольких неработоспособных ТЭЗ в разных ЦЗС.

Каждому из этих событий в общем случае должна соответствовать своя методика локализации отказа. С этой точки зрения выделим следующие их виды: независимый однопараметрический отказ, независимый многопараметрический отказ, зависимый отказ, множественный отказ.

В общем случае под независимым понимается отказ, не обусловленный другими отказами. В то же время, согласно вышеизложенному, можно выделить два вида независимых отказов: однопараметрический и многопараметрический. Такой отказ обычно сопровождается переходом одного структурно неделимого на данном уровне иерархии элемента замены в неработоспособное состояние. При этом в случае однопараметрического отказа наблюдается невыполнение одной функции (сигнал на выходе элемента замены любого уровня иерархии – за установленными пределами допуска), а при многопараметрическом отказе – нескольких функций.

Под зависимым понимается отказ, обусловленный другими отказами [1]. Они всегда многопараметрические и сопровождаются переходом нескольких структурно неделимых на данном уровне иерархии элементов замены в неработоспособное состояние.

Под множественным отказом будем понимать совокупность не зависящих друг от друга отказов, которые так же, как и зависимые, сопровождаются переходом нескольких структурно неделимых на данном уровне иерархии элементов замены в неработоспособное состояние. Они могут возникать в результате огневого воздействия, при механических повреждениях, при длительном хранении изделий или в результате нарушения последовательности процесса «отказ–восстановление» при обслуживании аппаратуры и ее применении по назначению.

По физическим проявлениям независимый многопараметрический отказ и зависимый отказ в одной ЦЗС одинаковы. Поэтому с точки зрения распознавания вида они также идентичны. Следовательно, такие отказы можно объединить в одну группу и идентифицировать как функционально-зависимый отказ. Таким образом, предлагаемая классификация основана на трех проявлениях отказов РЭА и подразделяется на три соответствующих им вида (см. табл. 1). При этом однозначно идентифицируются независимые однопараметрические отказы в разных ЦЗС и функционально-зависимый отказ, который может представляться независимым многопараметрическим отказом и (или) зависимым отказом в одной ЦЗС. В случае возникновения функционально-зависимого отказа целесообразно принимать гипотезу о наличии зависимого отказа как наиболее сложного с точки зрения выявления причин его возникновения и замены неработоспособных элементов.

Таким образом, с точки зрения восстановления РЭА перед заменой неработоспособного элемента на работоспособный необходимо установить один из трех видов отказа: независимый однопараметрический отказ, независимые однопараметрические отказы в разных ЦЗС из состава множественного, функционально-зависимый отказ.

Для формирования метода распознавания вида отказа необходимо определить критерии решения данной задачи в соответствии с предложенной классификацией и возможные неработоспособные состояния РЭА.

Таблица 1

В результате анализа таблицы установлено следующее. Для распознавания вида отказа необходимо знать ЦЗС, а также критерии (К) отсутствия отказа, независимого однопараметрического отказа, функционально-зависимого отказа, количества ЦЗС. Их знание позволит отличить друг от друга множественные отказы – функционально-зависи­мые и независимые однопараметрические отказы в разных ЦЗС, а также отделить от них независимый однопараметрический отказ, который является единственным видом одиночного отказа согласно предложенной классификации. При этом в качестве критериев распознавания целесообразно выбрать следующие [2].

К1. Критерий отсутствия отказа. В рассматриваемой аппаратуре все элементы работоспособны, значения всех сигналов на выходах элементов находятся в пределах, установленных технической документацией. Критерий определяет состояние РЭА и необходимость начала процесса распознавания вида отказа.

К2. Критерий независимого однопараметрического отказа (одиночного отказа). Один элемент подозревается в неправильном функционировании (неработоспособности), а остальные работоспособны, значение сигнала на выходе подозревае- мого элемента находится за пределами, установленными технической документацией. Подобные отказы, как правило, возникают в конце ЦЗС. Критерий позволяет выделить независимые однопараметрические отказы в одной ЦЗС.

К3. Критерий функционально-зависимого отказа. Два или более элементов замены подозреваются в неработоспособности и находятся в одной ЦЗС, а значения сигналов на выходах таких элементов – за пределами, установленными технической документацией. Критерий позволяет выделить ФЗО в одной ЦЗС.

К4. Критерий количества ЦЗС. Два и более элементов замены подозреваются в неработоспособности и находятся в двух и более ЦЗС, значения нескольких сигналов на выходах этих элементов находятся за пределами, установленными технической документацией. Критерий позволяет разделить одиночный отказ и множественный отказ сложной структуры.

Комплексное применение критериев дает возможность идентифицировать неработоспособное состояние аппаратуры в соответствии с предложенной классификацией. При этом могут возникнуть ситуации, приведенные в таблице 2.

Таблица 2

В общем случае блок-схема метода распознавания вида отказа РЭА представлена на рисунке 1.

Учитывая положения 1–6 (табл. 2), можно утверждать, что идентификационная модель должна представлять собой формализованное описание ЦЗС.

Пусть имеется схема РЭА (рис. 2), в которой, например, реализована одна ЦЗС: сигнал 1 – сигнал 3 – сигнал 8. Представим ее в виде струк- турного графа (рис. 3). Опишем связь сигналов данной схемы. Для этого каждому сигналу аппаратуры (см. рис. 3) поставим в соответствие переменную n. Получим следующее выражение:

                                             (1)

Под ЦЗС будем понимать последовательность отображений предыдущего сигнала в последующий сигнал, образующих их связь. Для описания ЦЗС в формализованном виде введем оператор цепного отображения «», где k – номер цепи, которой принадлежит оператор, описывающий связь зависимых сигналов через элемент графа аппаратуры. Учитывая вышесказанное, а также выражение (1), ЦЗС в формализованном виде можно описать следующим уравнением:

            (2)

где С1 – ЦЗС;  – оператор цепного отображения данной цепи.

В случае, если система технического диагностирования проверяет параметры на входе элемента изделия (например, формирует вектор подозреваемых определений функций элементов графа), переменная ni выражения (2) представляется определением функции ai. Если же данная система проверяет параметры на выходе элемента изделия (формирует вектор подозреваемых значений функций элементов графа), переменная ni представляется значением функции fi. Однако в этих случаях ai и fi соответствуют различным элементам графа, что означает нецелесообразность формализации ЦЗС с помощью системы (2) без привязки к элементам аппаратуры. Неразрывную связь элементов и функций опишем оператором логического умножения &. Для первого случая ЦЗС в формализованном виде будет описана следующим выражением:

(3)

Для второго случая

(4)

Разложим выражение (3) на составляющие:

(5)

Исходя из анализа выражения (5) ЦЗС в общем случае опишем следующим уравнением:

,          (6)

где m – количество операторов цепного отображения в цепи; Sпред & fпред – предыдущий элемент графа и значение его функции в общей ЦЗС в формализованном виде; Sпослед & fпослед – последующий элемент графа и значение его функции в общей ЦЗС в формализованном виде.

В общем случае идентификационная модель РЭА – это система из K уравнений:

,     (7)

где m – количество операторов цепного отображения в 1-й цепи; Sпред & fпред – предыдущий элемент графа и значение его функции в общей ЦЗС в формализованном виде; Sпослед & fпослед – последующий элемент графа и значение его функции в общей ЦЗС в формализованном виде; g – количество операторов цепного отображения в k-й цепи; G – количество операторов цепного отображения в K-й цепи.

Пусть в существующей системе технической диагностики формируется вектор подозреваемых значений функций элементов графа, в котором значения некоторых функций находятся за пределами, установленными технической документацией. На основе этих данных формируется система состояния цепей зависимых сигналов обнулением соответствующих функций в эталонной системе (7). Так получаем систему, которая описывает состояние ЦЗС с учетом имеющегося отказа. Вычитая из правой части выражения эталонной системы правую часть системы состояний, получаем систему распознавания [3]:

         –

=  (8)

где d, y и Q – те же характеристики, что m, g и G соответственно, но в каждом конкретном случае могут иметь различные значения.

Анализ данной системы распознавания показывает следующее:

–      при наличии отказа аппаратуры правая часть хотя бы одного уравнения в системе не равна нулю;

–      при независимом однопараметрическом отказе система вырождается в единственное уравнение с правой частью, не равной нулю, причем в данном уравнении отсутствуют операторы цепного отображения;

–      при независимом однопараметрическом отказе в разных ЦЗС система будет состоять из нескольких уравнений с не равной нулю правой частью, в которых отсутствуют операторы цепного отображения;

–      при наличии функционально-зависимого отказа РЭА в системе будет иметь место одно уравнение с не равной нулю правой частью и хотя бы одним оператором цепного отображения;

–      при наличии нескольких функционально-зависимых отказов в системе будут иметь место два и более уравнений с не равной нулю правой частью и хотя бы одним оператором цепного отображения в каждом;

–      при наличии независимого однопараметрического и функционально-зависимого отказа в системе будут иметь место два уравнения с не равной нулю правой частью; в одном из них оператор цепного отображения отсутствует, во втором имеется хотя бы один оператор цепного отображения;

–      при наличии нескольких независимых однопараметрических отказов и нескольких функционально-зависимых отказов в системе будут иметь место четыре и более уравнений с не равной нулю правой частью; в двух и более из них оператор цепного отображения отсутствует, в других двух и более уравнениях имеется хотя бы один оператор цепного отображения.

Параметры системы распознавания на основе критериев [3] позволяют распознать вид отказа, а также структурно-неделимые на данном уровне иерархии элементы аппаратуры, подозреваемые в неработоспособности, и определить порядок их замены на работоспособные.

Таким образом, на основе опыта эксплуатации сложной РЭА ввиду многообразия ее отказов и признаков их проявлений предложена расширенная классификация вида отказа. Определение вида отказа в процессе текущего ремонта необходимо для выработки правильной последовательности замены неработоспособных элементов на работоспособные. Однако эта задача достаточно сложная и может занимать много времени. Автоматизация решения данной задачи возможна с помощью идентификационной модели РЭА, а также формализованного описания процесса распознавания вида отказа РЭА и определения порядка замены неработоспособных ТЭЗ.

Литература

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

2.     Игнатьев С.В., Клемин А.А., Черняк А.В. Критерии идентификации видов отказов радиоэлектронной аппаратуры для диагностических систем с элементами искусственного интеллекта // Актуальные проблемы вузов ВВС: межвуз. сб. науч. тр. М.: МО РФ, 2002. Вып. 13.

3.     Клемин А.А., Игнатьев С.В., Черняк А.В. Метод идентификации видов отказов радиоэлектронной аппаратуры для диагностических систем с элементами искусственного интеллекта // Изв. вузов. Радиоэлектроника. Киев: Изд-во КПИ, 2004. Вып. 3.