Содержание к диссертации
Введение
1 Методика диагностирования приборов
1.1 Объекты диагностирования 10
1.2 Технологические процессы диагностирования 14
1.3 Методы контроля работоспособности 26
1.4 Методы поиска места отказа 30
1.5 Методика сочетания методов диагностирования 35
1.6 Основные результаты и выводы 3 8
2 Модели для обнаружения и поиска места отказа приборов
2.1 Диагностические параметры и признаки 41
2.2 Алгоритмы диагностирования 45
2.3 Диагностические модели отказавшего объекта 49
2.4 Математическое моделирование работоспособного объекта 52
2.5 Математическое моделирование отказов 56
2.6 Основные результаты и выводы 59
3 Методы оптимизации обнаружения и поиска места отказа приборов
3.1 Выбор проверок для обнаружения отказов с минимальными затратами методом линейного целочисленного программирования 63
3.2 Выбор проверок для обнаружения отказов с минимальными затратами по эвристическому алгоритму исключения 67
3.3 Выбор очерёдности выполнения проверок для обнаружения отказов с минимальными средними затратами методом ветвей и границ 69
3.4 Локализация места отказа 76
3.5 Выбор проверок для поиска места отказа с минимальными затратами методом линейного целочисленного программирования 79
3.6 Выбор проверок для поиска места отказа с минимальными затратами по эвристическому алгоритму исключения 83
3.7 Основные результаты и выводы 85
4 Программно-методический комплекс разработки диагностического обеспечения приборов
4.1 Методика моделирования составных частей прибора 90
4.2 Методика моделирования работоспособного прибора 103
4.3 Методика моделирования отказов и разработки диагностической модели прибора 107
4.4 Методика оптимизации обнаружения и поиска места отказа 109
4.5 Программно-методический комплекс разработки диагностического обеспечения ИИ и УС 115
4.6 Вычислительная сложность предложенных алгоритмов 125
4.7 Экспериментальная проверка применимости разработанных алгоритмов оптимизации диагностического обеспечения 131
4.8 Экспериментальная проверка диагностического обеспечения 134
4.8 Основные результаты и выводы 137
Заключение 141
Список литературы 144
Приложение
- Методика сочетания методов диагностирования
- Математическое моделирование работоспособного объекта
- Выбор проверок для обнаружения отказов с минимальными затратами по эвристическому алгоритму исключения
- Методика моделирования отказов и разработки диагностической модели прибора
Введение к работе
Актуальность работы Техническое обеспечение информационно-измерительных и управляющих систем (ИИ и УС) составляют электронная аппаратура и устройства, предназначенные для осуществления связи, сбора, обработки, передачи и отображения информации
Составные части ИИ и УС на стадиях разработки, производства и эксплуатации являются объектами диагностирования, при этом контроль функционирования, работоспособности, поиск места, определение причин отказа при изготовлении, восстановлении, ремонте требуют значительных затрат времени, труда специалистов высокой квалификации Например, средняя продолжительность поиска места отказа (ПМО) составляет до 85% средней продолжительности восстановления электронной аппаратуры модульной конструкции
Относительно большие затраты объясняются, в первую очередь, недостатками диагностического обеспечения (ДО) ИИ и УС, образуемого комплексом взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта Существуют объективные трудности улучшения ДО ИИ и УС, обусловленные состоянием теории диагностирования, необходимостью больших затрат на создание ДО
Имеются результаты глубоких исследований в области разработки ДО, заложенные работами известных ученых Р Д Беннетса, Л П Глазунова, Г Гордона, В П Калявина, А В Мозгалевского, А Н Смирнова, Е С Согомоняна, П П. Пархоменко, Г Б Уильямса, ученых Пензенского государственного университета А И Мартяшина, В В Смогунова, Е А Ломтева, Е П Осадчего, Б В Цыпина, П П Чуракова и др
Принципиально решены многие задачи проектирования ДО, но продолжают оставаться актуальными проблемы моделирования объектов диагностирования, ограничения вычислительных ресурсов при оптимизации диагностирования, комплексной автоматизации разработал ДО Недостатки существующих методик решения этих проблем отрицательно сказываются на показателях диагностирования, трудоемкости разработки, стоимости ДО ИИ и УС С учетом вышеизложенного можно сделать вывод, что совершенствование методегк разработки ДО является актуальной задачей
Цель и задачи исследований Цель работы заключается в совершенствовании методики разработки ДО для улучшения показателей диагностирования и сокращения затрат на создание ДО ИИ и УС
Эта цель достигается решением следующих задач.
анализом объектов и разработкой методики диагностирования составных частей ИИ и УС,
разработкой методики моделирования обнаружения и ПМО составных частей ИИ и УС,
разработкой методики оптимизации обнаружения и ПМО составных частей ИИ и УС,
разработкой программно-методического комплекса проектирования ДО ИИ и УС
Методы исследований Для решения поставленных задач использовались математическое моделирование с применением теории множеств и графов, методы математического программирования, информационные технологии схемотехнического моделирования, экспериментальные исследования
Научную новизну работы составляет развитие методического аппарата автоматизированной разработки ДО ИИ и УС, проявившееся в предлагаемом комплексе методик сочетания методов диагностирования для ПМО с глубиной до функционального устройства, моделирования отказов средствами схемотехнического моделирования Мюго-Сар, сочетания методов математического программирования и эвристических алгоритмов оптимизации обнаружения и ПМО аналоговых и цифровых объектов
Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные методики использованы при создании программно-методического комплекса разработки ДО в системах автоматизированного проектирования, информационно-измерительных диагностических системах, информационно-управляющих системах, составлении технологической документации и алгоритмов диагностирования ИИ и УС, внедрены в учебный процесс подготовки специалистов по приборостроению
Внедрение предложенных методик позволило снизить трудоемкость разработки алгоритмов диагностирования изделия У8800С1 примерно на 50% за счет автоматизации построения диагностических моделей, выбора проверок и очередности выполнения проверок Требования к квалификации специалистов, выполняющих диагностирование приборов, за счет алгоритмизации ПМО снижены с 6-5 разрядов до 5-і
На защиту выносятся
Методика диагностирования составных частей ИИ и УС с глубиной до функционального устройства, основанная на сочетании методов диагностирования, выбираемых в зависимости от видов объектов диагностирования и отказов
Методика моделирования отказов составных частей ИИ и УС, основанная на схемотехническом моделировании программными средствами Micro-Cap
Методика оптимизации обнаружения и ПМО составных частей ИИ и УС, основанная на сочетании метода Баллаша и звристичесісих алгоритмов для выбора проверок при обнаружении и ПМО с минимальными затратами и на применении метода ветвей и границ при выборе очередности выполнения проверок для обнаружения и ПМО
Реализация и внедрение результатов работы Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований
использованы при разработке технологической документации изделий У8800С1, У8800С2, У8804С ОАО «НПП «Рубин», внедрены в учебные процессы Рязанского высшего военного командного училища связи и Пензенского государственного университета
Апробация работы Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2003» (Пенза, 2003), Научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза, 2004), VII Международной научно-методической конференции «Университетское образование» (Пенза, 2004), ХП Военно-научной конференции (Смоленск, 2005), «Надежность и качество - 2006» (Пенза, 2006)
Публикации По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендуемом ВАК России Без соавторов опубликовано 3 работы
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, двух приложений Основная часть изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 12 таблиц Список литературы содержит 93 наименования Приложения к диссертации занимают 25 страниц
Методика сочетания методов диагностирования
Существует общий методический подход к ПМО, предусматривающий обычно контроль работоспособности, локализацию места отказа, уточнение места отказа (отказавших частей) объекта. Такой методический подход является единым независимо от вида объекта и отказа, глубины ПМО. Вид объекта, отказа, глубина ПМО учитываются при выборе методов диагностирования.
Методика ПМО сочетанием методов диагностирования с восстановлением непрерывных и дискретных объектов поясняется на рисунке 1.4. Предлагаемая методика согласуется с общим методическим подходом к ПМО, типовым технологическим процессом восстановления объекта и может использоваться для разработки типового технологического процесса ПМО приборов с глубиной до ИЭТ. Предлагаемая методика позволяет осуществлять ПМО аппаратных средств информационно-управляющей системы с глубиной до прибора, ПМО прибора с глубиной до печатного узла и, наконец, поиск места печатного узла с глубиной до функционального устройства и изделия электронной техники.
Определение отказавших составных частей обеспечивается методом локализации и дальнейшим уточнением места отказа сочетанием методов диагностирования, выбираемых в зависимости от вида объекта и отказа, глубины ПМО. Уточнение места отказа без признаков короткого замыкания непрерывных объектов предлагается выполнять методом промежуточных проверок, а цифровых объектов - методом промежуточных проверок при
исчерпывающем тестировании, и затем методами внутрисхемного функционального и параметрического контроля подозреваемых в отказах ИЭТ. Устранение отказа осуществляется заменой составных частей, регулировкой параметров.
Поиск места кратного отказа объекта может выполняться до определения всех отказавших составных частей или только одной из отказавших составных частей. В последнем случае после замены отказавшей составной части проводится контроль работоспособности объекта и, при необходимости, продолжение ПМО для определения следующей отказавшей составной части. Такая методика восстановления объекта называется ПМО с восстановлением. Число повторений циклов восстановления объекта при ПМО с восстановлением равно кратности отказа.
Методикой диагностирования обеспечиваются требуемые глубина и достоверность ПМО за счёт согласованного сочетания методов диагностирования, выбора проверок достаточных для обнаружения и различения заданных отказов, ПМО с восстановлением.
Сокращению трудоёмкости диагностирования способствуют применение в первую очередь методов безразборного диагностирования, оптимизация алгоритмов контроля работоспособности и ПМО, автоматизация диагностирования.
Ограничение требований к квалификации специалистов обеспечивается алгоритмизацией и автоматизацией диагностирования.
Снижение затрат на диагностическое обеспечение достигается использованием информации, документируемой при контроле работоспособности, для локализации места отказа, методов ПМО, не требующих сложных, дорогостоящих средств диагностирования и существенного усложнения конструкции объектов, выбором проверок для обнаружения и ПМО с минимальными затратами. 1 Технические средства ИИ и УС представляют собой аппаратно программный комплекс, состоящий из взаимодействующих электронных приборов, программного обеспечения ПЭВМ. Электронные приборы обычно содержат несколько взаимодействующих печатных узлов. Наиболее сложные печатные узлы собраны на двусторонних и многослойных печатных платах, содержат большое число разнообразных по принципу действия, назначению и конструкции изделий электронной техники. Приборы и печатные узлы относятся к известным в технической диагностике непрерывным (аналоговым), дискретным и гибридным без памяти и с памятью объектам диагностирования. Особенностью непрерывных объектов является наличие многочисленных обратных связей. Цифровые объекты имеют шинную структуру. 2 Отказы аппаратных средств информационно-управляющих систем по характеру проявления подразделяются на функциональные видов «обрыв», «замыкание», «короткое замыкание», «логический» и параметрические. Функциональные и параметрические отказы при эксплуатации приборов и печатных узлов составляют до 56 и до 44% отказов соответственно. Большинство отказов печатных узлов при эксплуатации наступает из-за функциональных отказов ИЭТ. Исключением являются конденсаторы, функциональные и параметрические отказы которых составляют 90 и 10% соответственно.
Математическое моделирование работоспособного объекта
Форма представления модели работоспособного объекта зависит от задачи и метода диагностирования. Объект (прибор, печатный узел), состоящий из взаимодействующих функциональных составных частей (блоков), при решении задач контроля работоспособности (обнаружения отказов) и поиска отказавшей составной части контролем параметров аналоговых сигналов, сигнатурным анализом цифровых сигналов моделируется, например, бинарным отношением в форме связного орграфа
Вершинами V орграфа изображаются принятые при выборе метода диагностирования входные и выходные сигналы составных частей объекта. Дугами задаётся отображение y:V- V зависимостей, связей между параметрами или сигнатурами сигналов существенных для диагностирования. Методика математического моделирования работоспособного объекта по исходным данным, содержащимся в его конструкторской документации, поясняется схемой на рисунке 2.6. Математической моделью составной части является бинарное отношение в форме двудольного орграфа в котором входные сигналы eF, и выходные сигналы rikeRt изображаются вершинами. Вершины соединяются дугой (fy, rik), если изменение параметра или сигнатуры сигнала приводит к изменению параметра или сигнатуры сигнала г, . Зависимости между параметрами или сигнатурами сигналов определяются на основе изучении трактов прохождения сигналов и схемотехнического моделирования. Примеры двудольных орграфов составных частей прибора представлены на рисунке 2.7. Связи (соединения) между составными частями моделируются бинарными отношениями в форме двудольных орграфов Множества выходных сигналов /-той составной части и входных сигналов j -той составной части задаются вершинами. Вершины соединяются дугой Vik fjq} если выходной сигнал гік является входным сигналом fiq. Связи определяются, например, по схеме соединений. Двудольные орграфы связей между составными частями представлены на рисунке 2.8.
Орграф (2.7) формируется объединением двудольных орграфов (2.8), (2.9). Вершины с одинаковыми обозначениями при объединении двудольных орграфов совмещаются. Пример объединения двудольных орграфов показан на рисунке 2.9. Ориентированный цикл (орцикл), выделенный утолщёнными линиями, соответствует контуру обратной связи объекта. Контроль работоспособности средств диагностирования выполняется, как правило, до контроля работоспособности объекта. Входные сигналы объекта, создаваемые работоспособными средствами диагностирования, имеют допустимые значения и соответствующие вершины с инцидентными им дугами можно исключить из орграфа. Диагностирование кабелей отказавшего объекта иногда выполняется до ПМО. Тогда модель объекта можно упростить совмещением вершин двудольных орграфов связей между составными частями. Совмещаемые вершины с инцидентными дугами стягиваются в вершину, соответствующую выходному сигналу, причём дуги сворачиваются в петлю. Орграф, полученный после исключения вершин /п, /12, соответствующих входным сигналам объекта, и совмещения вершин, показан на рисунке 2.10. Контроль взаимосвязанных сигналов в контуре обратной связи не позволяет определить отказавшую составную часть. Если объект диагностируется без разрыва контуров обратной связи, то орграф обычно конденсируется, то есть исключаются орциклы. Вершины орцикла и принадлежащие им дуги стягиваются в одну из его вершин, причём дугами орцикла образуется петля [37].
Выбор проверок для обнаружения отказов с минимальными затратами по эвристическому алгоритму исключения
Критерием оптимизации состава проверок принимается минимум затрат на обнаружение отказов, которые вычисляются по формуле где UK - множество выполняемых проверок. Ограничения задаются неравенствами (3.1). Объект при выборе проверок по эвристическому алгоритму исключения моделируется таблицей связей орграфа (2.2) или (2.6). Множество проверок С/к, позволяющих обнаруживать отказы с минимальными затратами, формируется поочерёдным исключением из таблицы связей проверок с наибольшими затратами на их выполнение. Если несколько проверок выполняются с одинаковыми затратами, исключается любая из этих проверок. Для выполнения неравенств (3.1) достаточно, чтобы каждая строка є є Е таблицы связей после исключения проверки содержала хотя бы один символ 0. Множество проверок, учитываемых диагностической моделью, ранжируется в порядке убывания затрат на их реализацию. Например, затраты в условных единицах на реализацию проверок, учитываемых таблицей связей 3.1, в порядке убывания составляют: с4 =8; с5 =6; с6 = 5; с2=4; С!=3; с3=2. Таблица связей 3.1 после ранжирования проверок в порядке убывания затрат на их реализацию представлена в таблице 3.3. Определяется число символов 0 в каждой строке є є Е таблицы связей без учёта результатов проверки, затраты на выполнение которой наибольшие. Если каждая строка содержит хотя бы один символ 0, то проверка (столбец) исключается из таблицы связей. В случае невыполнения неравенств (3.1), а также после исключения проверки действия повторяются для очередных проверок с меньшими затратами на реализацию. Проверки, оставшиеся в таблице связей, позволяют обнаруживать отказы. Например, строки еєЕ таблицы связей без учёта результатов проверки м4 содержат символы 0 и проверка (столбец) и4 исключается. Проверка щ должна применяться при обнаружении отказов, поскольку после её исключение из таблицы связей отсутствуют символы 0 в строке е5. Аналогично определяется, что проверки щ, щ не исключаются, а проверки и2, щ исключается из таблицы связей. Таблица связей после исключения проверок щ, щу щ, представлена в таблице 3.4. Проверки щ, щ, щ, оставшиеся в таблице связей, позволяют обнаруживать отказы с затратами в 13 условных единиц. 3.3 Выбор очерёдности выполнения проверок для обнаружения отказов с минимальными средними затратами методом ветвей и границ Задача выбора очерёдности выполнения проверок решается при разработке алгоритмов, технологических процессов и средств диагностирования.
Очерёдность выполнения проверок, позволяющих обнаруживать отказы с минимальными затратами, влияет на средние затраты при обнаружении отказов по безусловному с условной остановкой алгоритму контроля работоспособности. Вариант очерёдности выполнения проверок щ,и5,и6 по безусловному с условной остановкой алгоритму контроля работоспособности объекта, моделируемого таблицей связей 3.4, представлен бинарным деревом на рисунке 3.1. Если работоспособное состояние и отказы образуют полную группу несовместных случайных событий и алгоритм контроля работоспособности применяется многократно, то средние затраты на обнаружение отказов вычисляются по формуле где с, - затраты на реализацию очередной проверки; Р\Е ) - вероятность отказов, обнаруживаемых при недопустимом результате проверки; т - число выполняемых проверок. Например, средние затраты алгоритма на рисунке 3.1 при затратах в условных единицах на выполнение проверок с(щ)=2, с(и5)=6, с(и6)=5, вероятностях отказов р(еі)=р(е2)=0,01, р(е3)=р(е4)=0,0\5, р(е5)=р(е6)=0,05, и вероятности работоспособного состояния /?(е0)=0,85, учитывая, что Р\Е0 ]=0, составляют: При иной очерёдности выполнения проверок средние затраты на обнаружение отказов будут другими. Решение задачи выбора оптимальной очерёдности выполнения проверок можно получить методом динамического программирования построением дерева алгоритма от концевых вершин или методом ветвей и границ построением дерева алгоритма от корневой вершины [40, 41, 74, 81].
Метод динамического программирования применяется, если затраты на реализацию последующих проверок не зависят от выбора предшествующей проверки. В противном случае применяется метод ветвей и границ, которым предусматривается возможность вычисления новых значений затрат на реализацию последующих проверок. Методика применения метода ветвей и границ для построения оптимального алгоритма контроля работоспособности предлагается в работах [41, 88,92]. Комбинации очерёдности выполнения проверок можно отображать вершинами ветвей ранжированного дерева. Вершинам каждой ветви, кроме корня, сопоставляются т проверок в очерёдности их выполнения. Ранг вершины равен числу дуг от корня до рассматриваемой вершины. Полустепень исхода корня составляют т. С увеличением на единицу ранга вершины полустепень её исхода уменьшается на единицу. Дерево комбинаций очерёдности выполнения проверок и3,и5,и6 показано на рисунке 3.2. Ветвь с затемнёнными вершинами соответствует очерёдности выполнения проверок, установленной графом алгоритма контроля работоспособности на рисунке 3.1. Идея поиска оптимального решения задачи методом ветвей и границ состоит в многошаговом возвратном (рекуррентном) сокращённом переборе комбинаций (сочетаний с перестановками) проверок и выборе после каждого шага перспективной комбинации оцениванием нижней границы средних затрат на обнаружение отказов. Сокращение перебора достигается развитием на каждом шаге только перспективной комбинации проверок с наименьшей нижней границей средних затрат.
Методика моделирования отказов и разработки диагностической модели прибора
ПМО по методике сочетания методов диагностирования изделия осуществляется, в первую очередь, методами безразборного диагностирования, к которым относятся метод локализации места отказа и метод промежуточных проверок. Оптимизационными задачами планирования безразборного диагностирования являются минимизация состава проверок для ПМО промежуточными проверками, определение минимальной области отказа по результатам проверки правильного функционирования или работоспособности, оптимизация очередности выполнения проверок при разработке алгоритма уточнения места отказа изделия.
Алгоритмом ПМО промежуточными проверками устанавливаются состав контролируемых диагностических признаков, очередность и правила интерпретации результатов контроля. Если выбран состав диагностических признаков, то разработка алгоритма ПМО сводится к установлению очерёдности контроля и правил интерпретации результатов контроля диагностических признаков. Количество диагностических признаков, которое достаточно контролировать при определении места конкретного отказа, а следовательно и затраты на ПМО, могут быть различными в зависимости от очередности контроля.
Существует несколько видов критериев оптимизации очерёдности контроля диагностических признаков при разработке алгоритмов ПМО. Если алгоритм ПМО предназначается для многократного использования, например, при восстановлении большого количества одинаковых изделий, то критерием оптимизации очередности контроля диагностических признаков обычно принимается минимум средних затрат на ПМО [15]. По закону больших чисел средние затраты на ПМО приближаются к математическому ожиданию, которое определяется по формуле где pi - вероятность отказа е, є Е; С, — средние затраты на ПМО ех.
Затраты на контроль каждого диагностического признака при ПМО промежуточными проверками могут быть примерно одинаковыми. Действительно, ПМО методом промежуточных проверок основывается на контроле диагностических признаков в доступных контрольных точках, воздействия на изделие при контроле разных диагностических признаков одинаковые. Тогда критерием оптимизации очередности контроля диагностических признаков принимается минимум среднего количества контролируемых диагностических признаков. Математическое ожидание количества контролируемых признаков при ПМО вычисляется по формуле где lj — количество диагностических признаков, контролируемых для определения места конкретного отказа.
Оптимизация очередности контроля диагностических признаков обычно сводится к оптимизации условного алгоритма диагностирования [15]. Методы комбинаторной оптимизации алгоритмов диагностирования основываются на сокращенном переборе вариантов решений или применении функции предпочтения [61 - 65, 75, 77]. Получение оптимального алгоритма диагностирования гарантируется только методами сокращенного перебора. При больших мощностях множеств отказов и диагностических признаков для получения оптимального результата даже сокращенным перебором, могут потребоваться недопустимые затраты машинных ресурсов. В связи с этим представляется целесообразным использовать сочетание методов сокращенного перебора, в частности метода ветвей и границ, метода Баллаша и эвристических методов, что позволит сократить требующиеся для решения задачи ресурсы без ухудшения достоверности результата [66].
Для выбора проверок для обнаружения отказов с минимальными затратами используется алгоритм Баллаша с фильтром, схема которого приведена на рисунке 4.12. Исходными данными для программы являются таблица связей диагностируемого объекта и массив затрат на выполнение каждой проверки. В начале работы процедуры производится вычисление значение допустимого решения, которое принимается в качестве фильтра. Затем вычисляется значение целевой функции для каждого набора бинарных переменных, сопоставленных проверкам. Если значение целевой функции меньше значения фильтра, то значению фильтра присваивается текущее значение целевой функции. Затем вычисляются значения всех ограничений. Если хотя бы одно из ограничений не выполняется, то начинается следующая итерация цикла вычисления целевой функции. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут обсчитаны все наборы двоичных переменных. В качестве оптимального решения выбирается набор бинарных переменных, для которого целевая функция принимает минимальное значение и выполняются все ограничения (3.4) - (3.10).
