Методология системного проектирования авионики с отказоустойчивыми свойствами

Актуальность темы

Современный этап развития авиационной техники, характеризуется тем, что в обеспечении полетов все в большей степени используются бортовые измерительно-информационные комплексы, называемые ави-оникой. Бортовые измерительно-информационные комплексы оказывают существенное влияние на эффективность применения технических средств летательного аппарата в процессе выполнения полетов, а в ряде случаев, например в форс-мажорных ситуациях, и/или на летательных аппаратах специального назначения, определяют работоспособность и даже жизнеспособность борта.

В настоящее время разработчики бортового электронного оборудования имеют дело с авионикой четвертого поколения, которое характеризуется широким применением цифровых технических средств для обработки сигналов сенсорной системы и для информационного взаимодействия с оператором. Аппаратные средства обработки данных реализуются в виде микропроцессорных контроллеров, распределенных по летательному аппарату, и/или в виде бортовых ЭВМ, сосредотачивающих вычислительные ресурсы в одном месте. При этом, на борту летательного аппарата формируются сети ЭВМ, работающие в мультипрограммном режиме, что позволяет говорить об авионике, как интегрированном измерительно-информационном комплексе бортового оборудования.

Однако возрастание объемов цифровой техники и усложнение алгоритмов обработки данных приводит к появлению принципиально новой технической проблемы, заключающейся в существенном понижении отказоустойчивости цифровых комплексов. Этот феномен связывается с возможностью разрушения не только аппаратной части, осуществляющей непосредственные преобразование сигналов и/или кодов (как это было в авионике трех предшествующих поколений), но и аппаратуры, хранящей программный код и поступившие на обработку данные. Кроме того, часть отказов возникает вследствие временных рассогласований в функционировании отдельных компонентов интегрированного комплекса бортового оборудования. Пониженная отказоустойчивость снижает эффективность целевого использования летательного аппарата и порождает необходимость реализации аппаратно-программной защиты от сбоев.

Поэтому необходимым этапом системной разработки информационно-измерительных аппаратно-программных комплексов является этап учета влияния на характеристики авионики в целом технических решений, направленных на обеспечение отказоустойчивости системы. Это может быть реализовано путем введения зависимостей, позволяющих оценивать показатели отказоустойчивости, в систему ограничений, либо в целевую функцию оптимизационной задачи проектирования. Однако при этом возникает научная проблема, заключающаяся в отсутствии общей методологии аналитической оценки параметров отказоустойчивости системы в целом на основании известных характеристик отказоустойчивости элементов для конкретных технических решений.

Все вышеперечисленное, а именно потребности в авионике четвертого поколения и отсутствие общей теории анализа и расчета эффективности и отказоустойчивости указанных систем, объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе.

Объектом исследования диссертации является авионика, состоящая из сенсорной системы, ряда функциональных компонентов (узлов и блоков) по преобразованию информации, бортового вычислителя, средств передачи и отображения информации. Структура исследуемых комплексов является иерархической в том смысле, что авионика состоит из ряда взаимодействующих систем, которые, в свою очередь включают ряд взаимодействующих подсистем, разбиваемых на узлы, блоки и т. п., вплоть до электрических, механических, оптических и т. п. элементов.

Важным требованием, предъявляемым к комплексам исследуемого класса, является обеспечение эффективности и отказоустойчивости в процессе эксплуатации, что позволяет не только надежно выполнять полетные задания, но и обеспечивать общую работоспособность оборудования в условиях постоянных (отказов) и перемежающихся (сбоев) нарушений работоспособности элементов, внешних информационных помех и физических возмущений. Понятие отказоустойчивости неразрывно связано с понятием состояния. Состояния систем авионики (работоспособные, неработоспособные и предельные) определяются и регламентируются в отечественной практике ГОСТ 27.002−83. При этом предполагается, что переход системы из состояния в состояние вызывается как параметрической деградацией элементов любых типов, вследствие естественных причин, так и случайными воздействиями на элементы со стороны внешних физических явлений. Все отказы развиваются не иначе, как во времени.

Важной особенностью интегрированных комплексов бортового оборудования является наличие ресурсного обеспечения для осуществления реконфигурации в случае отказов элементов. При этом различается реконфигурация математическая (информационная), осуществляемая без изменения структуры комплекса, и реконфигурация физическая, осуществляемая с изменением взаимосвязей между блоками.

Предметом исследования диссертации являются показатели эффективности и отказоустойчивости авионики, реализуемые как системные свойства перспективных авиационных комплексов бортового оборудования, а также методы целенаправленного изменения указанных показателей за счет структурных технических решений, закладываемых на этапе проектирования и реализуемых на этапе производства и/или эксплуатации комплексов.

Под отказоустойчивостью авионики понимается способность при работе в условиях отказов любых типов ее физических элементов, внешних информационных помех и физических возмущений в любой момент времени гарантировать выполнение целевых функций с эффективностью, соответствующей работоспособным состояниям, возможно, с реконфигурацией системы. Авионика отказоустойчива, если она практически гарантирует в любой момент времени жизнеспособность борта и выполнение полетного задания. Указанные требования могут быть выполнены, если в жизненном цикле системы применяются процедуры восстановления, ограничивающие степень параметрической деградации элементов путем технического обслуживания.

Необходимым при создании эффективной авионики является этап формирования и исследования таких моделей, которые адекватно отражали бы релевантные аспекты ее функционирования. В силу того, что комплекс описывается в виде структуры, состоящей из взаимодействующих элементов, причина отказов развивается во времени, и отказ возможен, в том числе и в результате нарушения взаимодействия, релевантная модель отказов должна быть структурно-параметрической, причем структурный аспект должен учитывать:

1) иерархичность структуры самого комплекса и наличие в нем множества состояний компонентов на каждом иерархическом уровне;

2) возможность перехода компонентов комплекса из текущего состояния в одно из множества сопряженных состояний;

3) фактор взаимодействия компонентов на всех иерархических уровнях, возможно также приводящий к отказу комплекса.

Параметрический аспект модели должен учитывать: стохастический характер отказовфактор временилогику взаимодействия элементов в процессе нормального функционирования и нарушенную логику взаимодействия формируемую в результате разрушении элементов комплекса и/или их связей.

Подходов к моделированию отказоустойчивости, в равной мере учитывающих все перечисленные аспекты, в настоящее время не существует, поэтому диссертация опирается на подход, связанный с аналитическими методами математического моделирования. В работе использованы теория систем, теория вероятностей, теория сетей Петри, теория полумарковских процессов, теория надежности. Впервые для анализа показателей эффективности и отказоустойчивости авионики применен аппарат сетей Петри-Маркова, который позволяет не только исследовать структурные аспекты отказов, но и проследить их развитие во времени.

Методология, разработанная в диссертации, может быть применена для обеспечения отказоустойчивости измерительно-информационных комплексов систем различного назначения, например, систем управления морскими или наземными транспортными средствами, следовательно объект исследования может быть расширен до класса объектов.

Диссертационная работа является дальнейшим развитием методологии исследования надежности, у истоков которой стояли такие видные ученые, как B.C. Авдуевский, Е. Ю. Барзилович, Ю. К. Беляев, Б. В. Гнеденко, Г. В. Дружинин, А. И. Рембеза, И. А. Ушаков, А. М. Широков, Р. Барлоу, Д. Р. Кокс, Д. Ллойд, М. Липов, Ф. Прошан, К. Райншке, В. Л. Смит, В. Харрис. Методология моделирования систем с использованием аппарата сетей Петри-Маркова основывается на работах В. Е. Котова, К. Петри, Дж. Питерсона, B.C. Королюка, А. Ф. Турбина, И. Н. Коваленко, А. Ю. Кузнецова, В. М. Шуренкова, Д. С. Сильвестрова.

Цель диссертации состоит в разработке методологии оценки показателей отказоустойчивости и эффективности систем исследуемого класса, основанной на аналитическом описании процесса отказов/восстановлений в формируемых в процессе проектирования комплексов структурах, обеспечивающих отказоустойчивость.

Задачи исследований.

1. Анализ особенностей функционирования бортовых измерительно-информационных комплексов, которые оказывают влияние на показатели эффективности и отказоустойчивости, обобщение особенностей функционирования различных систем авионики и подбор фундаментальных теорий, которые могли бы быть положены в основу метода аналитического математического моделирования процесса отказов/восстановлений.

2. Разработка концепции математического моделирования процесса отказов/восстановлений в комплексах исследуемого класса.

3. Разработка методологии оценки показателей отказоустойчивости и изменения показателей в зависимости от мероприятий по повышению эффективности систем.

4. Создание методов исследования временных и стохастических характеристик сетей Петри-Маркова по их структурно-параметрическим моделям, в частности метода упрощений сетей Петри-Маркова и матричного метода оценки вероятностных и временных характеристик достижения выделенных состояний.

5. Исследование явления «соревнования» на непримитивных переходах сетей Петри-Маркова, приводящего к снижению эффективности комплекса и разработка метода предсказания исхода «соревнования» с точностью до плотностей распределения и вероятностей.

6. Разработка методики моделирования с помощью сетей Петри-Маркова процессов типовых структур аппаратного и программного обеспечения бортовых измерительно-информационных комплексов.

7. Получение зависимостей для оценки показателей отказоустойчивости типовых структур, обеспечивающих избыточность аппаратно-программных комплексов.

8. Анализ особенностей возникновения отказов в аппаратных и программных средствах цифровых устройств обработки данных и получение аналитических зависимостей для оценки эффективности их работы.

9. Выработка рекомендаций по обеспечению отказоустойчивости систем и практическая их реализация в перспективных комплексах бортового электронного оборудования.

10. Экспериментальная проверка разработанного метода обеспечения отказоустойчивости при создании и внедрении в авиации реальных программно-технических комплексов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Сформулирована концепция аналитического моделирования процесса отказов/восстановлений бортовых интегрированных измерительно-информационных комплексов, состоящих из множества взаимосвязанных систем, и обладающих аппаратной и программной избыточностью для повышения отказоустойчивости.

2. Создан обобщенный метод комплексного анализа отказоустойчивости авионики, основанный на математическом (аналитическом) структурно-параметрическом моделировании процессов отказов в программных и аппаратных средствах с применением сетей Петри-Маркова, в том числе при взаимодействии их компонентов.

3. Разработан метод преобразования сетей Петри-Маркова, основанный на последовательном упрощении их структуры и сведения структуры к полумарковскому процессуполучены математические зависимости для оценки временных и стохастических параметров сетей Петри-Маркова при их последовательных упрощениях с учетом логики взаимодействия отдельных компонентов моделируемых систем.

4. Предложены стохастико-временные соотношения, определяющие требования к составу и структуре избыточных средств авионики, обеспечивающих ее отказоустойчивость.

5. Разработаны методы решения ряда проектных задач, и получены зависимости для оценки эффективности и отказоустойчивости систем, в структуры которых заложена аппаратная избыточность, повышающая эффективность комплекса.

6. Исследованы информационные характеристики последовательных вычислительных процессов в аппаратно-программных средствах авионики и сформулированы основные принципы методологии практического проектирования отказоустойчивых комплексов.

Принципиальный вклад в развитие теории проектирования отказоустойчивой авионики состоит в следующем.

1. Произведено обоснование общих свойств, которыми должны обладать структурно-параметрические модели надежности авионики, показано, что структуры моделей процесса отказов/восстановлений не тождественны структурам моделей технических средств, и должны учитывать как физику моделируемого процесса, так и наличие избыточных средств, обеспечивающих требуемые показатели отказоустойчивостикроме того, модели должны учитывать фактор времени и логику взаимодействия систем интегрированных комплексов оборудования на борту летательного аппарата.

2. Постановлена и решена задача разработки формализованного подхода к математическому (аналитическому) моделированию временных и вероятностных характеристик процесса отказов в компонентах системы, приводящих к неработоспособности всей системы в целом.

3. Показано, что процесс деградации элементов приводит к пуассоновс-кому потоку отказов, а наличие дополнительных аппаратных средств, хотя и является само по себе источником отказов, позволяет увеличить время перехода в неработоспособной состояние, получены зависимости для оценки увеличения временных интервалов.

4. Для ряда структурных методов обеспечения отказоустойчивости получены математические выражения определения стохастико-временных параметров эффективности мероприятий.

5. Впервые проведен анализ функционирования цифровых аппаратно-программных комплексов с точки зрения возникновения отказов с разделением источника отказов на аппаратную и программную составляющие, а также предложен метод дельта-синхронизации вычислительного процесса для повышения эффективности функционирования бортовых вычислительных систем.

6. Предложены основные проектные решения для бортовых отказоустойчивых информационно-измерительных и управляющих систем.

Практическая ценность работы заключается в том, что методология отказоустойчивого проектирования ориентирована на создание практических рекомендаций, позволяющих повысить качество вновь разрабатываемых систем исследуемого класса при сокращении сроков их разработки.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается успешным применением методологии при решении практических задач разработки ряда навигационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Концепция аналитического моделирования процесса отказов/восстановлений бортовых интегрированных измерительно-информационных комплексов, состоящих из множества взаимосвязанных систем, и обладающих аппаратной и программной избыточностью для повышения эффективности.

2. Метод комплексного структурно-параметрического анализа отказоустойчивости авионики основанный на формировании сети Петри-Маркова, учитывающей временные и вероятностные характеристики отказов, а также логику взаимодействия элементов, в нормальном режиме работы и при возникновении аварийных ситуаций.

3. Метод последовательных упрощений структур сетей Петри-Маркова, основанный на сведении их элементарных подсетей к единственной позиции и определении временных и вероятностных параметров ветвления процесса на непримитивных переходах с учетом логики взаимодействия отдельных компонентов моделируемых систем.

4. Математические выражения для определения стохастико-временных параметров эффективности мероприятий по обеспечению отказоустойчивости технических средств бортовых измерительно-информационных комплексов.

5. Модель механизма возникновения отказов в цифровых аппаратно-программных комплексах с разделением источника отказов на аппаратную и программную составляющие.

6. Метод дельта-синхронизации вычислительного процесса для повышения эффективности функционирования бортовых вычислительных систем.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации концепция, методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих научно-исследовательских работ ФГУП «ОКБ «Электроавтоматика» «: «Борт-80» (инв. № 8830, 1978), «Структура» (инв. № 7889, 1984), «НПК для перспективных самолетов гражданской авиации» (ВИДК 460 202.001, 2000 г.) «Технология проектирования отказоустойчивых БЛВС» (ВИДК 460 202.002, 2001 г.).

Результаты, полученные в диссертации, внедрены в ФГУП «ОКБ «Электроавтоматика» «в следующих разработанных средствах: бортовой вычислительный комплекс БЦК-29, машина цифровая вычислительная ЦВМ90, многопрограммный пульт-вычислитель для реализации вычислительных систем самолетовождения, система самолетовождения и индикации ССИ-80 для самолета СУ-80.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. III Международная научно-техническая конференция «Пилотируемые полеты в космос», РГНИИ ЦПК, Москва, 1997.

4. II Международный симпозиум «История авиации и космонавтики», Москва, ИИЕТРАН, 1997.

3. Международный симпозиум «Аэрокосмические приборные технологии», Санкт-Петербург, 2002.

4. 10 СПб Международная конференция по интегрированным навигационным системам, ЦНИИ Электроприборостроения, 2003 г.

5. 8 Международный симпозиум Авиационные технологии XXI века, Москва, ЦАГИ 2003 г.

6. Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы проектирования систем и комплексов», Тула, 2002, 2003, 2004 гг.

7. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ГИТМО (ТУ), Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003 гг.

9. Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава кафедр «Приборы управления» и «Робототехника и автоматизация производства» Тульского государственного университета 2001, 2002, 2003, 2004 гг.

По теме диссертации опубликовано 45 работ, включенных в список литературы, в том числе: 2 монографии, 12 тезисов докладов на международных, всесоюзных, республиканских и отраслевых конференциях, семинарах и симпозиумах, 14 статей, 17 авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 280 страницах машинописного текста, и включающих 104 рисунка и 3 таблицы, приложений на 20 страницах и списка использованной литературы из 140 наименований.

6.6. Выводы.

1. Определены требования по отказоустойчивости авионики, вытекающие из условий ее эксплуатации в составе летательного аппарата и необходимости решения целевых задач.

2. Практически показано, что указанные требования могут быть обеспечены только путем введения в конструкцию технических средств авионики и программное обеспечение ее бортовых ЭВМ плановой избыточности, повышающей уровень отказобезопасности системы в целом при отказах и/или параметрической деградации ее элементов.

3. Разработана технология реализации принципов обеспечения отказоустойчивости при проектировании системы, в частности подход к резервированию основных аппаратных средств и введения избыточности в программное обеспечение.

4. Разработана перспективная структура бортового интегрированного измерительно-информационного комплекса, в которой использованы принципы отказоустойчивой авионики.

5. Определены параметры отказоустойчивости и отказобезопасности перспективного комплекса бортового оборудования, вытекающие из требования нормативных документов по обеспечению эффективности и безопасности полетов самолетов военной и гражданской авиации.

6. Предложена общая технология разработки, отладки и сертификации аппаратно-программных комплексов авионики, практически реализованная при разработке систем указанного класса на ОКБ «Электроавтоматика» .

7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании анализа особенностей функционирования бортовых измерительно-информационных комплексов, сделан вывод об идентичности задач обеспечения эффективности и отказоустойчивости различных систем комплексов, а также возможности общего подхода к их решению, основанного на аналитическом математическом моделировании процессов отказов/восстановлений в системах различного уровня.

2. Разработана концепции математического моделирования процесса отказов/восстановлений в комплексах исследуемого класса, основанная на формировании структурно-параметрических образований, отражающих технические решения по повышению эффективности бортовых измерительно-информационных систем, и учитывающих логику взаимодействия систем на борту летательного аппарата.

3. Сформулировано понятие сети Петри-Маркова, как двудольного графа, предназначенного для моделирования двух типов событий: случайных, связанных с процессами отказов/восстановлений в элементах комплекса, и детерминированных, связанных с логикой взаимодействия элементов в комплексепоказана применимость сетей Петри-Маркова для решения задачи оценки параметров отказоустойчивости и эффективности сложных систем.

4. Сформулировано понятие элементарной подсети Петри-Маркова и разработан метод последовательных упрощений СПМ, основанный на сведении ЭППМ к совокупности позиций и сопряженных с ними непримитивных переходов, а также удалении непримитивных переходов и замены их элементарными подсетями Петри-Маркова.

5. Получены зависимости, определяющие стохастические и временные параметры СПМ при последовательных упрощениях: при сведении ЭППМ к совокупности позиций, основанные на создании полумарковской матрицы и выполнении матричных операций с нейпри удалении примитивных переходов из ЭППМпри удалении непримитивных переходов, основанные на анализе соревнования процессов с учетом логических условий выполнения полушагов из непримитивного перехода.

6. Исследовано явление соревнования на непримитивных переходах сетей Петри-Маркова, в частности соревнования при пуассоновских потоках событий, приводящих к снижению эффективности комплекса, и разработка метода предсказания исхода соревнования с точностью до плотностей распределения и вероятностей.

7. Проведен анализ с помощью СПМ типовых структур технических средств, параллельной, последовательной и параллельно-последовательнойформирование базовой структуры, включающей параллельно расположенные позиции, и используемой для построения более СПМ, моделирующей отказы/восстановления в сложных системах.

5. Разработаны методы решения ряда проектных задач, и получены зависимости для оценки эффективности и отказоустойчивости систем, в структуры которых заложена аппаратная избыточность, повышающая эффективность комплекса: систем с пассивным резервированием для случаев изменяющегося и неизменяющегося характера отказов при изменении нагрузки на элементысистем с активным резервированием с переключением блоковсистем с активным резервированием с отключением блоков для случая неотказуестойчивой схемы управления.

8. На основании анализ особенностей возникновения отказов в цифровых системах обработки данных сделан вывод о различиях механизма отказов в аппаратных и программных средствах указанных систем: в программных средствах ошибки закладываются на этапе разработки алгоритмов и устраняются по мере увеличения срока службы программного продуктаотказы аппаратных средств возникают на этапе переключения элементов памяти последовательностных автоматов вследствие внешних физических воздействий.

9. Получение аналитических зависимостей для оценки эффективности функционирования программно-технических комплексов.

10. Разработана технология реализации принципов обеспечения отказоустойчивости при проектировании систем исследуемого класса, в частности подход к резервированию основных аппаратных средств и введения избыточности в программное обеспечение.

11. Разработана перспективная структура бортового интегрированного измерительно-информационного комплекса, в которой использованы принципы отказоустойчивой авионикиОпределены параметры отказоустойчивости и отказобезопасности перспективного комплекса бортового оборудования, вытекающие из требования нормативных документов по обеспечению эффективности и безопасности полетов самолетов военной и гражданской авиации.

12. Предложена общая технология разработки, отладки и сертификации аппаратно-программных комплексов авионики, практически реализованная при разработке систем указанного класса на ОКБ «Электроавтоматика» — выработаны рекомендации по обеспечению отказоустойчивости авионики и практическая их реализация в перспективных комплексах бортового электронного оборудования.

13. Разработанные принципы внедрены во ФГУП ОКБ «Электроавтоматика» при разработке перспективных измерительно-информационных комплексов бортового электронного оборудования и в Тульском государственном университете в учебном процессе по кафедрам «Приборы управления» и «Робототехника и автоматизация производства» .