ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Экз. №

Казак Дмитрий Семенович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ИСПЫТАНИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Специальность 05.13.06 –Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в области приборостроения).

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва –2009 г.

Работа выполнена на кафедре Информатика и программное обеспечение вычислительных систем Московского государственного института электронной техники (технический университет)

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор, Л.Г. Гагарина

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бондаревский А.С.

кандидат технических наук Каратыгин С.А.

Ведущая организация: ГУП НПЦ «ЭЛВИС».

Защита диссертации состоится _ 2009 г.

в _ часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу : 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.134. доктор технических наук, профессор А.И. Погалов

Общая характеристика работы

С ростом требований к качеству продукции высокотехнологичных отраслей промышленности возросли требования к точности и достоверности автоматизированных технологических испытаний (ТИ), при этом первоочередной задачей является определение технического состояния изделия (с указанием при необходимости места, вида и причины возникновения дефектов). Широкий динамический диапазон изменения величин, подлежащих ТИ, влечет за собой увеличение числа операций ТИ, что приводит к увеличению числа определяющих параметров.

Обеспечение высокого качества изделий приборостроения всегда было и остается актуальнейшей задачей. Ее решению во многом способствовало применение вероятностно - статистических методов, на которых основаны методы оптимального статистического контроля, расчета надежности сложных систем, оптимизации технического обслуживания. Однако непосредственный статистический анализ качества возможен далеко не всегда, поэтому значение научного подхода к проблеме повышения качества технологических испытаний в целом неуклонно возрастает.

Кроме того, необходимость повышения качества ТИ требует непрерывного совершенствования методов технической диагностики, а значит, и разработки новых методик испытаний.

Разнообразие номенклатуры, параметров и функций электронных приборов и устройств, дополнительные затраты из-за усложнения и миниатюризации приборов также свидетельствуют о необходимости и своевременности автоматизации ТИ. Необходимость создания высокоэффективных автоматизированных испытательных систем обусловлено отсутствием серийно выпускаемого оборудования для ТИ и современными возможностями агрегатирования устройств вычислительной, измерительной техники и специализированных аппаратных и программных средств.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к автоматизированным системам технологических испытаний, является их отказоустойчивость и возможность эффективного выявления отказов. Для АСТИ характерно рассредоточение по узлам (компьютерам) задач и функциональных ресурсов (ФР). В связи с ограниченной кратностью резервирования задач и функциональных ресурсов при обеспечении отказоустойчивости АСТИ должны решаться задачи распределения задач и ФР между компьютерами и их перераспределения в случае возникновения отказов.

Результаты исследований, направленных на создание автоматизированных систем контроля, разработку теоретических основ, методов и средств проведения технологических испытаний изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: Петрова Б.Н., Амосова Н.В., Темникова Ф.Е., Орнатского П.П., Новицкого П.В., Цапенко М.П., Бусленко Н.П., Ушакова И.А., Бондаревского А.С., Гнеденко Б. В., Данилина Н.С., Сретенского В.Н., Шмидта Н., Барлоу Р. и др. Проблемами развития теории испытаний и созданием контрольно-диагностических систем занимаются ведущие ученые и разработчики НИЦ ЦИАМ, НТЦ «Лидер», ЗАО НПО "Сенсор", Druck, Unomat, ФГУП ММПП "Салют", Научно- технический центр «Техническая диагностика и прецизионные измерения», Научно-производственное предприятие ТестЭлектро, ФНПЦ НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем и многие другие.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в этой сфере, можно сказать, что существующие АСТИ не являются универсальными и ориентированы на достаточно узкую сферу применения. Не создан строгий программно-математический аппарат, до сих пор остаются открытыми вопросы, связанные с математической формализацией задачи выбора программно-аппаратной платформы, созданием эффективных механизмов обработки информации при проведении технологических испытаний; разработкой моделей обнаружения отказов и методов тестирования работоспособности систем. Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на разработку методов повышения эффективности распределенных автоматизированных систем для технологических испытаний в приборостроении.

Цель работы заключается в развитии теории автоматизированных технологических испытаний, разработке методов и алгоритмов эффективной обработки информации при проведении технологических испытаний, создании методов и средств повышения отказоустойчивости проведения ТИ, разработке имитационных моделей процесса технологических испытаний.

Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих научных задач:

- разработка формализованного математического аппарата для обоснованного выбора программно-аппаратной платформы АСТИ;

- разработка моделей и алгоритмов эффективной обработки информации при проведении технологических испытаний;

- разработка моделей обнаружения отказов, методик и алгоритмов тестирования работоспособности систем;

- имитационное моделирование и экспериментальная проверка разработанных научных положений, технических разработок и методов.

Методы исследования. Решение основных задач диссертационной работы основано на использовании методов математического анализа, теории вероятностей, статистических гипотез, массового обслуживания, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления.

Научная новизна. В диссертации содержится совокупность научно обоснованных технических разработок, направленных на создание методов и средств повышения эффективности автоматизированных систем технологических испытаний, имеющих существенное значение для повышения быстродействия и качества обработки информации при проведении технологических испытаний, повышения эффективности проведения тестовых испытаний и выявления отказов.

При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены новые научные результаты:

- предложена аналитико-математическая четырехуровневая формализация функциональной структуры АСТИ;

- предложен математический аппарат для расчета интенсивности информационных потоков в системе;

- разработаны математические модели оценки производительности центрального процессора, объема оперативной памяти и быстродействия автоматизированных систем, позволяющие обоснованно выбрать программно-аппаратные средства АСТИ по критерию экономической эффективности;

- на основе предложенных моделей разработана методика выбора вычислительных ресурсов системы;

- разработана модель состояний автоматизированных систем для технологических испытаний и обоснована необходимость введения в состав систем непрерывно работающих устройств контроля и диагностики для выявления отказов, а также уменьшения вероятности поступления требований за счет спорадической передачи сообщений;

- предложен способ спорадической передачи информационных сообщений в АСТИ и метод кластеризации датчиков, обеспечивающие снижение интенсивности передаваемой информации на 1-2 порядка;

- на основе концепции редеющих импульсных потоков совместно с теорией регрессионного анализа предложена методика определения ожидаемого числа отказов при технологических испытаниях;

- предложены способ обнаружения и поиска единичного отказа, а также алгоритм полного тестирования элементов системы по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента в АСТИ;

- разработана имитационная модель процесса технологических испытаний для шести функциональных компонентов АСТИ и 12 технологических операций, на основе которой определены аппаратные требования к наиболее загруженному компоненту- центральной рабочей станции :

процессор Intel P4 1700 MHz, ОЗУ- 1024 Мб, ПЗУ- 40 Гб;

- разработан контрольно-экспериментальный стенд, предназначенный для динамической автономной поверки и диагностики функциональных устройств АСТИ, и предложена методика поверки и диагностики основных функциональных устройств системы.

Практическая значимость работы состоит в разработке методов повышения эффективности автоматизированных технологических испытаний приборов и систем управления сценическим освещением театральных и концертных сцен, выпускаемых серийно фирмой ООО Дуэт Ко под торговой маркой Green Town Light (cертификаты соответствия № РОСС RU.AE68.B11492, № РОСС RU.МE28.B01637, № РОСС RU.МE28.B01639).

Разработанные технические решения делают возможным их применение для создания высокоэффективных автоматизированных систем для технологических испытаний в приборостроении, авиационной промышленности, энергетике, микроэлектронике и др.

Предложенная методика определения ожидаемого числа отказов при технологических испытаниях была апробирована в процессе ТИ микроконтроллеров Infineon 40 МГц, используемых при разработке цифровых диммерных блоков DD12-16A (децимальный номер ЮКМЕ 2.940.339DD16-16A (децимальный номер ЮКМЕ 2.940.339-11), обеспечила повышение быстродействия до 25% и позволила обоснованно спланировать гарантийное обслуживание и подтвердить индивидуальный показатель надежности изделий.

Разработана экспериментальная методика и алгоритм контроля основных функциональных характеристик системы и экспериментально подтверждено, что предложенные способы информационных обменов обеспечивают повышение их эффективности примерно в 3 раза.

Достоверность определяется корректным применением теории логического синтеза схемотехнических структур и алгоритмов, подтвержденных данными экспериментальных испытаний АСТИ. Теоретические предложения и расчеты автора в соответствии с впервые выведенными соотношениями по повышению эффективности информационных обменов за счет спорадической обработки сообщений характеризуются высокой степенью сходимости с результатами измерений при имитационном моделировании.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

- формализация функциональной структуры АСТИ, включающая четыре уровнях детализации: функциональных задач, функций системы, общих и частных функций устройств;

- математический аппарат для расчета интенсивности информационных потоков в системе и ее функциональных компонентах;

- математические модели оценки производительности центрального процессора, объема оперативной памяти и быстродействия автоматизированных систем;

- методика выбора вычислительных ресурсов системы по критерию экономической эффективности;

- модель состояний автоматизированных систем для технологических испытаний;

- способ автоматизированного спорадического контроля параметров при проведении технологических испытаний;

- методика определения ожидаемого числа отказов и расчета структуры ЗИП для невосстанавливаемых элементов автоматизированной системы для технологических испытаний;

- способ обнаружения и поиска отказов, а также алгоритм полного тестирования элементов системы по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента в АСТИ;

- имитационная модель процесса технологических испытаний;

- контрольно-экспериментальный стенд, предназначенный для динамической автономной поверки и диагностики функциональных устройств системы, методика поверки и диагностики основных функциональных устройств системы.

-автор диссертации принимал активное участие в разработке требований и методик испытаний автоматизированных систем для технологических испытаний светотехнического оборудования.

Внедрение результатов работы.

- в контрольно-экспериментальный стенд (децимальный номер ЮКМЕ2.940.400), предназначенный для автономной проверки и диагностики функциональный устройств системы контроля и диагностики оборудования, выпускаемого предприятием ООО ЭЛИС ПЛЮС, с использованием тестеров стандартного (DMX-512) цифрового сигнала, тестового ПО и ПЭВМ;

- при разработке и тестовых испытаниях цифровых диммерных блоков DD12-16A (децимальный номер ЮКМЕ 2.940.339-05), DD16-16A (децимальный номер ЮКМЕ 2.940.339-11), выпускаемых серийно фирмой ООО Дуэт Ко под торговой маркой Green Town Light, предназначенных для плавного регулирования освещенности на театральных и концертных сценах. Внедрение выполнялось в рамках регламентной эксплуатации в составе системы управления сценическим освещением концертного зала ФГОУ ВПО Орловский государственный институт искусств и культуры в соответствии с Госконтрактом №30 от 13.11.2007.

- учебный процесс кафедры ИПОВС Московского государственного института электронной техники.

Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора.

Диссертационная работа проводилась с целью достижения результатов, соответствующих Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации и решению проблем Критических технологий Российской Федерации.

На защиту выносятся :

- формализация функциональной структуры АСТИ;

- методика расчета интенсивности информационных потоков в системе и ее функциональных компонентах;

- математические модели оценки производительности центрального процессора, объема оперативной памяти и быстродействия автоматизированных систем;

- методика выбора вычислительных ресурсов системы по критерию экономической эффективности;

- модель состояний автоматизированных систем для технологических испытаний;

- способ автоматизированного спорадического контроля параметров при проведении технологических испытаний;

- способ эффективного обнаружения и поиска отказов, алгоритм полного тестирования элементов системы по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента в АСТИ;

- имитационная модель процесса технологических испытаний;

- контрольно-экспериментальный стенд, методика поверки и диагностики основных функциональных устройств системы;

-результаты имитационного моделирования, экспериментальных исследований и внедрения материалов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на научно-технической конференции Пути повышения эффективности создания ГАП в приборостроении и микроэлектронике (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ, 1985 год), научнопрактической конференции Совершенствование теории и практики экономического анализа в промышленности (г. Донецк, 1985 год), научно-технической конференции Опыт и перспективы развития ГПС в приборостроении и микроэлектронике (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ, 1986 год), зональной конференции Функционально-стоимостной анализ в обеспечении качества, снижении себестоимости продукции в ресурсосбережении (г. Пенза, 1987 год), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008 год), Всероссийской межвузовской научно- технической конференции Микроэлектроника и информатика-2009 (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2009 год).

Публикации. Основные положения диссертационного исследования полностью отражены автором в 20 опубликованных печатных работах, в том числе трех статьях в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 182 страницы основного текста, включая 39 рисунков, 10 таблиц, а также список литературы из 113 наименований и 3 приложения.

Общий объем работы составляет 213 страниц.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие проблемы, цели и задачи исследования, научное и практическое значение полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе обзорного характера проведен анализ особенностей современных автоматизированных систем технологических испытаний и показана их роль при управлении качеством продукции. Создание разнообразных высокотехнологичных изделий на базе микро- и нанотехнологий с увеличившейся на порядок степенью компонентной интеграции, с одной стороны, и повышение уровня автоматизации процессов измерения, контроля и технической диагностики с другой, привели к необходимости обработки огромных массивов информации. Проведение ТИ позволяет оперативно принимать меры по устранению причин, вызвавших появление дефектов. Таким образом, за счет автоматизации ТИ можно значительно повысить качество готового изделия.

В настоящее время вопросы выбора программно-аппаратной платформы автоматизированных систем для технологических испытаний разработаны недостаточно строго. Вместе с тем необходимость наличия аналитических методов решения этой проблемы становится все более актуальной в связи с быстро расширяющимися областями применения АСТИ в технологических процессах и производствах.

Выбор аппаратной платформы для информационных систем должен основываться на комплексном решении следующих задач: анализа функциональной структуры АСТИ с целью определения потребности системы в различных вычислительных ресурсах, необходимых в процессе ее функционирования; анализа технической структуры АСТИ с целью определения возможных для использования обрабатывающих устройств; синтеза рациональной технической структуры АСТИ, обеспечивающего необходимые для ее функционирования ресурсы при определенных ограничениях на показатели качества.

С ростом требований к качеству продукции возросли требования к точности и достоверности ТИ и первоочередной задачей является определение технического состояния (ТС) изделия (с указанием места, вида и причины возникновения дефектов). Важным требованием, предъявляемым к АСТИ, является их отказоустойчивость, что делает необходимым создание эффективных механизмов обработки информации, разработку моделей обнаружения отказов и методов тестирования работоспособности систем.

Проведенный анализ показал, что существующие АСТИ не являются универсальными и ориентированы на достаточно узкую сферу применения. Не полностью решены вопросы математического обеспечения систем, задачи синтеза структуры АСТИ с точки зрения оптимизации технико-экономических параметров и программно-аппаратной платформы. Таким образом, цель работы заключается в разработке новых подходов к повышению эффективности автоматизированных систем для технологических испытаний.

Во второй главе разработан формализованный математический аппарат для обоснованного выбора программно-аппаратной платформы АСТИ по критерию экономической эффективности.

В работе предложена аналитико-математическая формализация функциональной структуры АСТИ, представляющая взаимосвязь функций четырех уровней детализации: функциональных задач (ФЗ), функций системы (ФС), общих и частных функций устройств.

Анализ функций каждого класса производится с точки зрения потребности в ресурсах обрабатывающих устройств (ОУ) и интенсивности потоков сообщений по всему информационному тракту АСТИ. Получены математические выражения для расчета интенсивностей потоков информации в АСТИ. Интенсивность потока ввода сообщений для Y обслуживаемых объектов и I-типов ФЗ ввода определяется как:

где kоп- коэффициент ошибок оператора; xi- частота квантования сигналов от одного источника; i (Ti ) - частота решения i-й функциональной задачи; kдп- коэффициент неправильного ввода информации с диспетан черского пульта, N ij -общее количество сигналов, N ij -количество исдс точников аналоговой информации на j-м объекте; Nij - количество источников дискретной информации на j-м объекте; - разрядность считываемой информации; ti –длительность вводимого импульса; kнк- разрядность накопителей числа импульсов, входящих в состав устройства ввода числоимпульсных сигналов; kкн- число каналов выдачи числоимчи пульсных сигналов одним счетчиком; Nij -количество источников число-импульсных сигналов ; Tij -время ввода число-импульсных сигналов; kуп- степень уплотнения информации.

Cуммарная интенсивность вывода сообщений для Y обслуживаемых объектов и I-типов ФЗ вывода определяется, как:

где Niy -количество источников выводимой информации.

Интенсивность потока сообщений обработки данных определяется, как:

где iмд - доля данных, требующих статистическую обработку.

Интенсивность потока управляющих воздействий определяется, как:

где iмд - доля данных, отображающих обслуживаемые объекты, изменивших свое состояние и требующие управляющих воздействий.

Количество ОУ, способы распределения объектов и ФЗ, типы обрабатывающих устройств выбираются при синтезе структуры АСТИ.

Среди всех параметров устройств ОУ выбирается по одному наиболее важному параметру каждого вида устройств по критерию экономической эффективности. Для центрального процессора (ЦП) таким параметром является его быстродействие, для ОЗУ— объем памяти v.

Требуемую производительность -го типа ЦП h-го ОУ можно определить по оценке загрузки систем с одним прибором обслуживания:

h - средняя интенсивность поступающего на обслуживание потока заявок; th - среднее время обслуживания одной заявки в -м типе ЦП h-го ОУ. Производительность ЦП для обработки прикладных задач системы определяется из следующего выражения:

где if, if,f - средняя интенсивность потока сообщений, средняя длина сообщений, трудоемкость обработки бита информации и производительность используемого типа ЦП соответственно; Ih- общее количество ФЗ; Fi - общее количество видов ФС, Н-общее количество ОУ.

Для приближенных расчетов можно принять, что все функции управления выполняются при обработке каждого сообщения. Тогда затраты производительности на функции управления определяются, как f0 - интенсивность и трудоемкость выполнения функции управления, F0 - количество функций управления. Параметр требуемой производительности h-го ОУ, определяется как:

Общий коэффициент загрузки h-го ОУ где h - производительность выбираемого типа ЦП.

Из соотношения (9) можно сформулировать необходимое условие выбора типа ЦП h-го ОУ АСТИ: производительность выбираемого типа ЦП должна быть не меньше отношения требуемой производительности Общий объем необходимой ОП h-го ОУ АСТИ определяется, как:

ганизации буферов; организации стеков программ; размещения программ, считываемых с внешних устройств.

Объем памяти, требуемой для хранения данных, можно оценить из следующей зависимости:

дан h _ обр lh где h _ обр, h _ выв — средние длины обрабатываемых и выводиср ср мых сообщений; lh - среднее число заявок в системе, находящихся на обслуживании и в очереди; lh _ выв среднее число заявок, находяоч щихся в очереди к устройствам вывода. Опуская промежуточные формульные зависимости, имеем:

где tifv - среднее время обслуживания заявок f-го типа, Mh — число длина выводимых сообщений; h - пропускная способность h- гo типа устройства вывода, fg — двоичное число, показывающее связь ФС вида f с ФУ вида g; gv -связь ФУ с устройствами определенного вида.

Объемы памяти для организации стеков ст пропорциональны коh личеству программ:

где ст - объем памяти, который требуется для организации стека для выполнения программы f-го вида ФС.

Область ОП, необходимая для хранения программ, вызываемых с внешних устройств, определяется из зависимости:

где Fh — подмножество видов ФС h-го ОУ, программы которых хранятся во внешней памяти.

Синтез структуры ОУ, используемых в составе АСТИ, производится при заданном количестве ФЗ, решаемых АСТИ. Функция цели задачи синтеза Wdэh представляет собой минимизируемые годовые приведенные затраты на h-е ОУ dэ-го типа при bh -м варианте распределения ФЗ между Н ОУ; Wdэh находится в виде суммы затрат на подсистемы обработки данных (ПОД) и на все возможные типы подсистем взаимодействия с объектом (ПВО) обслуживаемых объектов данным ОУ:

где Wdэyv - приведенные годовые затраты на v-го типа подсистему взаимодействия с у-м объектом обслуживаемым с dэ-го типа ОУ; Wdэh - приведенные годовые затраты на подсистему обработки данных h0 -го ОУ dэ-го типа при bh -м распределении ФЗ между Н ОУ; V f - множество возможных видов устройств ввода - вывода (типов подсистем взаимодействия с объектом);Y-множество ПВО; xdэyv - двоичная переменная, которая равна 1, если выбирается v-й тип у-го объекта для dэ-го типа ОУ, и 0 в противном случае.

В третьей главе разработаны методы и средства повышения эффективности АСТИ при обработке информационных потоков технологических испытаний и выявлении отказов.

Для анализа возможных путей повышения эффективности АСТИ разработана ее обобщенная вероятностная математическая модель состояний, как объекта технологических испытаний. Состояние системы ограничим пятью возможными вариантами X={ x1, x2, x3, x4, x5} c соответствующими вероятностями P={ px1, px2, px3, px4, px5 }, где x1- состояние исправности аппаратуры, требования ее перевода в рабочее состояние отсутствуют; x2- состояние исправности, система занята обслуживанием принятого требования; x3- состояние неисправности, которая обнаружена средствами контроля и диагностики, производится ремонт, требования перевода в рабочее состояние отсутствуют; x4- состояние неисправности, необнаруженной средствами диагностики, ремонт не проводится, требования перевода в рабочее состояние отсутствуют; x5состояние неисправности во время поступления требования перевода в рабочее состояние, возможно искажение информации.

Cчитая потоки требований простейшими, отобразим их соответствующими интенсивностями: т- интенсивность потока требований на информационное использование системы; т- интенсивность потока обслуживания требований; - интенсивность общего потока неисправностей, причем: = о +н, где о- интенсивность потока обнаруживаемых неисправностей, а н- интенсивность потока необнаруживаемых неисправностей; в- интенсивность потока восстановления.

Модель состояния системы представлена в следующем виде Решая систему (16), определим среднее время Tср нахождения в состоянии x н[т (в т )тв ] Исследование функции Tср=f (о/) при различных значениях (в/т) и постоянном, показало, что увеличения отказоустойчивости ОТИ, т.е. интервалов времени между попаданием в состояние отказ можно добиться при (о/)0,9, т.е. при обнаружении АСТИ почти всех