Автоматизированнок надежно-ориентированное проектирование

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ НАДЕЖНОСТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Кофанов Ю.Н., Нибежев Х.-А.А.
Московский государственный институт электроники и математики (технический
университет, kofanov@ihome.ru, xazzz@inbox.ru)
THE AUTOMATED ORIENTED ON RELIABILITY DESIGNING OF THE ONBOARD
RADIO-ELECTRONIC EQUIPMENT
Kofanov Yu.N., Nibejev H.-A.A.
In given article we vie principle new approach to guarantee and increase of parameters of
reliability of the onboard radio-electronic equipment (OREE). Unlike the typical technique, which
have been released by Gosstandart of Russia, hear we can construct the multilevel plan-graph of
works for guarantee and increase of reliability on development of OREE. Thus there are distribution
human, time, financial, and as material, information resources and the equipment. in the plan-graph.
The works providing the analysis and optimization of parameters of reliability depending on
conditions of performance of work are entered in plans. Both performance of works, and their
analysis with optimization are spent is automated by means of the computer.
In a basis of automation is put system ASONIKA, were are 3D and 2D design images of the
developed equipment, and also mathematical modelling of the electric, thermal, mechanical and
other physical processes proceeding in the equipment in severe constraints of operation.
Thus, in $article we show the methodology of the automated oriented on reliability
designing of the onboard radio-electronic equipment uniting in known program of maintenance of
reliability and the process approach of systems of a quality management is stated
Для современной бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) сложность
достижения заданных требований по надежности повышается в связи с повышением ее
функциональности. В связи с этим, в БРЭА наблюдается быстрый рост числа применяемых в
ней комплектующих изделий. Так, создаются аппаратура и микроэлектронные схемы,
содержащие сотни тысяч и более электрорадиоизделий (ЭРИ). Широко используются
изделия микроэлектроники, имеющие повышенную чувствительность к факторам,
связанным с качеством разработки и изготовления аппаратуры, условиями ее эксплуатации и
др.
Так же сложность проектирования БРЭА заключается в том, что учесть
одновременное воздействие нескольких внешних факторов до начала эксплуатации
практически невозможно. В тоже время наблюдается возрастание количества, так
называемых, системных отказов. Такие отказы возникают при одновременном воздействии
таких взаимосвязанных между собою факторов, как температура, вибрация, удар, влажность,
старение и пр. При воздействии только одного из этих факторов системные отказы не
проявляются. Если они обнаруживаются на этапе испытания опытного образца, то это
приводит к необходимости возврата на ранние стадии проектирования и ведет к
дополнительным финансовым затратам и удлинению процесса проектирования.
Причиной дефекта в аппаратуре может явиться и любая неудачная проектная или
производственная операция, что требует увеличения количества автоматизированных
контрольных и проверочных работ.
Поэтому даже при испытаниях, тем более при эксплуатации БРЭА, такие отказы
должны быть исключены. Этого можно добиться путем комплексного моделирования
воздействующих факторов на ранних этапах проектирования.
С учет вышеуказанного, обеспечение надежности инновационной аппаратуры в
микроэлектронном исполнении обусловливает необходимость разработки и внедрения
методики автоматизированного надежностно-ориентированного проектирования (НОП)
БРЭА, которая предусматривает рассмотрение влияния каждого шага проектирования на
устранение причин возможного появления дефектов и на возможности повышения
(обеспечения) надёжности.
Под автоматизированным НОП понимается разработка мероприятий, которые
необходимо провести в каждой проектной работе с целью ответа на вопросы:
1. «Все ли факторы, влияющие на надежность, учтены?»
2. «Достигаются ли заданные показатели надежности требуемых с использованием
методов и программ расчета и проектирования?»
3. «Что возможно сделать для повышения надежности в рамках имеющихся ресурсов
по времени и по стоимости?»
При НОП БРЭА используется база знаний о физико-химических процессах,
обусловливающих отказы ЭРИ и аппаратуры, позволяющая оценивать скорость протекания
этих процессов и осуществлять поиск условий, при которых эти процессы не будут
протекать или скорость их протекания будет приемлемой [1]. Определение и соблюдение
этих условий является основополагающим методическим моментом в обеспечении
надежности аппаратуры при ее проектировании и изготовлении.
Проверка соблюдения ограничений, условий и критериев на всех этапах
проектирования РЭА осуществляется расчетно-экспертными методами[2]. По результатам
проводимых проверок и анализа причин отказов аппаратуры, комплектующих ее модулей и
ЭРИ, проводится оперативная корректировка принятых схемотехнических и
конструкционных решений построения аппаратуры, ее модулей и технологических
процессов их изготовления.
На рис. 1 показаны основные составляющие НОП БРЭА и одновременно
протекающие в них физические процессы.
1
2
3
Создание и
корректировка
принципиальной
электрической схемы
4
Расчет показателей
надежности и
заполнение карт
работы режимов
21
Моделирование
механических
процессов в блоках и
печатных узлах
23
5
6
7
20
19
18
Моделирование
электрических
процессов в схеме
8
9
Моделирование
тепловых процессов в
блоках и печатных
узлах
17
Создание и
корректировка
чертежей
конструкций
Диагностическое
моделирование
электрических схем и
конструкций
11
10
12
13
14
16
15
2
2
Моделирование
аэродинамических
процессов в РЭА
Моделирование
гидравлических
процессов в системе
охлаждения РЭА
24
25
Управление (функциональное и календарное)
в процессе надежностно-ориентированного проектирования
Рис.1 Принципы взаимосвязи одновременно протекающих физических процессов БРЭА в
многофакторной технологии надежностно-ориентированного проектирования
На рис. 1 введены следующие обозначения:
1 - организация обмена данных между различными видами моделирования;
2 - формирование электронного макета БРЭА;
3 - выработка решений о внесении изменений в электрическую схему и
конструкцию БРЭА;
4 - передача перечня радиоэлементов;
5 - составление электрической модели на основе принципиальной схемы;
6 - передача электрических нагрузок радиоэлементов;
7 - передача тепловых нагрузок;
8 - передача мощностей тепловыделения в радиоэлементах;
9 - передача температур радиоэлементов;
10 - передача тепловых полей конструктивных элементов;
11 - передача токов и напряжений на радиоэлементах;
12 - передача скоростей омывания воздухом радиоэлементов и стенок конструкции;
13 - передача температур стенок и воздуха в каналах, образуемой конструкции;
14 - передача геометрических параметров конструкции;
15 - передача геометрических параметров системы гидравлического охлаждения;
16 - передача скоростей омывания жидкостью стенок каналов и обратная передача
температур жидкости в каналах;
17, 18 - передача геометрических параметров конструкции
19 - передача температур конструктивных элементов и обратная передача мощностей
тепловыделений в деформируемых элементах конструкции;
20 - передача количества паяных соединений разъемов и печатных плат;
21 - передача механических ускорений на радиоэлементах;
22 - передача полей механических ускорений на печатных платах;
23 - передача информации о последовательности этапов моделирования;
24 - передача информации о материалах и информационных ресурсах для целей
моделирования;
25 - передача информации об исполнителях и сроках выполнения работ.
Для воспроизведения всех этих физических процессов используется система
АСОНИКА. Вся система АСОНИКА состоит из ряда проблемных подсистем, позволяющих
моделировать большинство основных физических процессов для различных уровней
иерархии БРЭА. Это такие подсистемы, как: АСОНИКА-Т (моделирование тепловых
процессов), АСОНИКА-М (моделирование механических процессов), АСОНИКА-Р
(заполнение карт рабочих режимов), АСОНИКА-У (планирование и управление проектами)
и т.п.
Предлагаемая методика НОП БРЭА представлена в виде функциональной модели
(план-графика) и календарной модели (диаграммы Гантта).
Функциональная модель (план-график) надежностно-ориентированного
проектирования БРЭА
Функциональная модель (рис. 2) представляет собой серию диаграмм, разбивающих
проект на составные части. Диаграммы состоят из работ, представленных блоками и
стрелками. Блоки представляют собой работы проекта, а стрелки – информационные и
логические связи между работами.
Первоначальная диаграмма является наиболее общим описанием проекта, она
показывает основные группы работ в виде блоков. Детали каждого блока раскрываются на
других диаграммах, и так до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень
детализации.
Каждая детальная диаграмма является декомпозицией блока из более общей
диаграммы. На каждом шаге декомпозиции более общая диаграмма называется родительской
для детальной диаграммы. Лучше всего представить себе, что диаграмма декомпозиции как
бы расположена внутри родительского блока.
Рис. 2. Часть функциональной модели надежностно-ориентированного проектирования
БРЭА в виде плана-графика
Блок на диаграмме рассматриваемого уровня описывается более подробно блоками и
дугами диаграммы более низкого уровня. Дуги, входящие в блок и выходящие из него на
диаграмме верхнего уровня, являются точно теми же самыми, что и дуги, входящие в
диаграмму нижнего уровня и выходящие из нее, потому что эти блок и диаграмма
представляют одну и туже часть проекта.
В функциональной модели различают два типа блоков:
 MW (make work) - основные работы проекта;
 MD (make decision) – работы по принятию решений.
Условные обозначения этих типов блоков показаны на рис. 3.
Блок MW олицетворяет работу проекта и обладает всеми атрибутами полноценной
работы. К каждому MW блоку могут подходить стрелки, в зависимости к какой грани
подходит стрелка, она принимает одно из четырех значений:
 входная стрелка – рисуется подходящая к блоку слева. Олицетворяет логическую
последовательность выполнения работ и показывает, что поступает на вход работы,
необходимое для ее выполнения;
 ограничивающая стрелка – рисуется подходящая к блоку сверху. Показывает,
какие ограничения поступают на процесс выполнения работы;
 управляющая стрелка – рисуется подходящая к блоку снизу. Изображает, какие
управляющие воздействия могут оказываться на работу;
 выходная стрелка – рисуется выходящей из блока справа. Показывает, что
получается после выполнения этой работы.
Ограничения
Вход
Выход
Название
работы
Управление
Неопределенная
а)
Входная
Выходная
Состав
вопроса
Альтернативная
б)
Рис. 3. Типы блоков и соответствующие им типы стрелок:
а) блок типа MW, б) блок типа MD.
Пример изображения всех типов стрелок для блока MW показан на рис. 3a.
Блок MD является специальным, предназначен для обозначения момента принятия
решения о дальнейшей последовательности работ. Используется для описания разветвлений
и циклов. Блок MD характеризуется нулевой продолжительностью во времени, за
исключением специально оговоренных случаев:
 выполнения продолжительной проверки или экспертизы;
 решение будет принимать внешние, по отношению к проекту, лица. Например,
заказчик.
Блок MD обычно описывается в виде вопроса, положительный ответ на который
соответствует лучшему варианту развития проекта. У блока MD, стрелки тоже определяют
свой смысл по изображению:
 входная стрелка – рисуется входящей в блок слева. Показывает точку входа в
ситуацию принятия решения и поставляет информацию необходимую для принятия
решения;
 выходная стрелка – рисуется выходящей из блока справа. Показывает направление
развития событий в случае положительного ответа на вопрос;
 альтернативная стрелка – рисуется выходящей из блока снизу. Показывает
направление развития событий в случае отрицательного ответа на вопрос;
 неопределенная стрелка – рисуется выходящей из блока сверху. Показывает
направление развития событий в случае невозможности формирования утвердительного
ответа. Расценивается как чрезвычайная ситуация. Необходимо использовать только в
случаях, когда это действительно необходимо, т.к. такой вариант развития может запутывать
планирование проекта и усложнять его последующий анализ.
Пример изображения всех типов стрелок для блока MD см. на рис.3 б).
В данной работе предлагается для реализации метода автоматизированного НОП
БРЭА использовать автоматизированную подсистему АСОНИКА-У, в которой специально
предусмотрены блоки, ориентированные на анализ надежности. В результате анализа любое
несоответствие фактических показателей назначения и нагрузочных коэффициентов
приводит, как это предусмотрено методом НОП, к возврату к предыдущим работам, в
которых может быть исправлено обнаруженное несоответствие. Таким образом, внесена
дополнительная мера по повышению надежности БРЭА на ранних этапах проектирования.
Календарная модель (диаграмма Гантта) надежностно-ориентированного
проектирования БРЭА
В основу календарной модели (рис. 3), которая строится автоматически на ЭВМ,
положена диаграмма Гантта, широко используемая в различных программных пакетах и
хорошо зарекомендовавшая себя на практике.
Календарная модель предназначена для:
 назначения даты начала и окончания работ и их продолжительности;
 визуализации последовательности работ во времени;
 сравнения запланированных сроков завершения работ с фактическими сроками;
 указания контрольных точек и критических участков;
 выявления временных резервов;
 наблюдения за перекрытиями и разрывами между зависимыми работами;
 распределения ресурсов и их эффективное использование;
 контролирования процесса реализации проекта.
В календарном методе используется несколько типов атрибутов работ, позволяющих
наиболее точно моделировать характер и особенности работ.
Каждая работа характеризуется тремя основными параметрами:
 объем работ (трудоемкость);
 длительность (сроки);
 количество исполнителей.
Диаграмма
Гантта
Временная
шкала
Рис. 3. Календарная модель (диаграмма Гантта) надежностно-ориентированного
проектирования БРЭА
Заключение
В настоящее время на предприятиях широко используются программы обеспечения
надежности (ПОН) на этапах разработки, испытаний, производства и эксплуатации [3].
Кроме того, на предприятиях, проектирующих БРЭА, как правило, сертифицированы
системы менеджмента качества (СМК). Однако, как показала практика, они не всегда
обеспечивают высокие показатели надежности при ограниченных ресурсах по
финансированию и времени.
Предложенный метод позволяет объединить выполнение требований ПОНов и СМК
на новой основе планирования и управления с помощью подсистемы АСОНИКА-У.
Названный метод автоматизированного НОП БРЭА позволяет учесть недостатки ПОНов и
СМК.
Литература
1.
2.
3.
Кофанов Ю.Н., Новиков Е.С., Шалумов А.С. Информационная технология моделирования
механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 2000. – 160с.
Федосеев Е.П. Количественное описание надежности вычислительных средств. Нормирование
требований к надежности вычислительных средств. – М.: Машиностроение, 1986. – 70с
Государственный комитет стандартов совета министерства СССР. Общие требования к программе
обеспечения надежности промышленных изделий. – М.: Издательство стандартов, 1976. – 25с.