Компьютерное прогнозирование показателей долговечности вычислительной техники::Журнал СА 12.2015

В статье рассматриваются вопросы автоматизированной оценки показателей долговечности технических средств вычислительной техники. Приведены основные расчетные соотношения, использованные при создании алгоритма функционирования программного обеспечения, и модель базы данных по характеристикам долговечности компонентов компьютерной техники.

Методики прогнозирования показателей долговечности

К современным электронно-вычислительным средствам (ЭВС) ответственного назначения предъявляются высокие требования по надежности, которые необходимо обеспечивать их производителям. Так, например, сроки службы бортовых вычислителей, применяющихся в космосе, исчисляется десятками лет. Для подтверждения показателей долговечности, к которым относится срок службы [1], на ранних этапах проектирования ЭВС применяются расчетные методы, основанные на стандартизованных методиках [2] и данных о характеристиках надежности электронной компонентной базы (ЭКБ) [3]. Следует отметить, что оценка показателей долговечности важна не только для подтверждения возможности создания ЭВС с требуемыми показателями, но и определяет время, в течение которого интенсивности отказов ЭКБ можно считать постоянными (этап 2 на рис. 1).

Рисунок 1. Типовая зависимость интенсивности отказов ЭКБ от времени

На рис. 1 цифрами обозначены:

1 – этап приработки;
2 – этап нормальной эксплуатации;
3 – этап износа и старения.

Как видно из рис. 1, показатели долговечности характеризуют то время, начиная с которого интенсивность отказов ЭКБ резко возрастает в результате процессов износа и старения (этап 3 на рис. 1). Отказы, наступающие вследствие износа и старения ЭКБ, относятся к категории «поздних» отказов. Доля таких отказов на этапе нормальной эксплуатации должна быть настолько незначительной в общем потоке отказов ЭКБ, чтобы она не влияла на ее характеристики безотказности (интенсивность отказов). В силу этого гамма-процентные показатели долговечности нормируются для относительно высоких значений γ (95% для гамма-процентного ресурса (срока службы) и 99,9% для минимальной наработки [2, 3]).

В соответствии с принятыми в настоящее время методиками [2] расчет показателей долговечности ЭВС проводится в два этапа:

ориентировочный расчет;
уточненный расчет.

Расчетные соотношения, используемые в методики расчета показателей типа «ресурс» и «срок службы», не отличаются друг от друга, за исключением исходных данных.

Так, например, исходными данными для расчетов показателей типа «ресурс» служат:

перечень компонентов компьютерной техники (ККТ), входящих в состав ЭВС;
гамма-процентные ресурсы компонентов;
средние ресурсы компонентов;
минимальные наработки компонентов;
вероятность (γ), для которой рассчитывается гамма-процентный ресурс ЭВС;
модель эксплуатации ЭВС;
критерий предельного состояния ЭВС.

Перечень компонентов формируется на основе конструкторской документации на ЭВС (ведомости применяемых элементов, перечня элементов, спецификации и др.).

Гамма-процентный ресурс компонентов определяется по данным, приведенным в справочнике [3] или в технических условиях (ТУ). В справочнике [3] приведены нормируемые в ТУ значения гамма-процентной наработки до отказа (Т_γ), а по компонентам, разработанным в соответствии с требованиями комплекса стандартов «Климат-6», – значения минимальной наработки (Т_н.м) и гамма-процентного ресурса (Т_рγ).

Для компонентов, гамма-процентный ресурс которых приведен для вероятности γ, отличной от той, для которой проводится расчет гамма-процентного ресурса ЭВС, гамма-процентный ресурс для требуемого значения вероятности γ пересчитывается по формуле [2]:

, (1)

где χ_γ – квантиль нормального распределения для вероятности γ; χ_γ1 – квантиль нормального распределения для вероятности γ₁; Т_рγ1 – гамма-процентный ресурс компонента по ТУ.

Для компонентов, ресурс которых задается в количествах циклов работы (срабатываний т.д.), перевод его в часы осуществляется по формуле:

, (2)

где N_рγсп – гамма-процентный ресурс компонента; С – число циклов в час.

Значение критерия предельного состояния вычисляется в зависимости от допустимого (заданного в ТЗ) уровня снижения эффективности функционирования ЭВС по формуле:

, (3)

где n – максимально-допустимое число компонентов, выработавших ресурс; N – суммарное количество число компонентов в ЭВС.

В случае если критерием предельного состояния ЭВС из-за снижения эффективности ее использования является выработка ресурса у любого компонента, входящего в его состав, гамма-процентный ресурс ЭВС равен:

, (4)

где Т_рγn – гамма-процентный ресурс n-го компонента.

Если полученное по (4) значение Трγ не удовлетворяет требованиям, проводят уточненный расчет, в котором дополнительно учитываются дополнительные параметры режимов и условий применения, такие как:

коэффициенты нагрузки компонентов по «критическому» параметру;
временные графики работы компонентов (циклограммы) в режиме работы ЭВС;
модель эксплуатации ЭВС.

Если же и в этом случае окажется, что ресурс требуемого, то компонентами, у которых ресурс не удовлетворяет условию:

, (5)

дополняется комплект ЗИП в необходимом количестве.

Автоматизация расчетов показателей долговечности

Несмотря на то что расчетные соотношения, приведенные в [2] достаточно простые, при большом количестве компонентов трудоемкость расчетов показателей долговечности резко возрастает. Поэтому в ходе выполнения работ была разработана автоматизированная система комплексной оценки долговечности (АСКОД), укрупненный алгоритм функционирования которой приведен на рис. 2.

Рисунок 2. Алгоритм функционирования программы АСКОД

Алгоритм включает в себя макроблоки, описание которых приведено ниже:

Блок 1. Начало. Запуск программы АСКОД.

Блок 2. Ввод ЭВС. Ввод требуемых значений показателей долговечности ЭВС, коэффициента интенсивности эксплуатации, вероятности γ, критерия предельного состояния.

Блок 3. Начало цикла по компонентам.

Блок 4. Ввод ККТ. Ввод значений минимальной наработки, гамма-процентного ресурса, вероятности γ₁, минимального срока хранения, коэффициента интенсивности эксплуатации.

Блок 5. Решение. Определение модели эксплуатации ЭВС.

Блок 6. Расчет Т_р.γ(раб). Расчет коэффициента вариации ресурса и гамма-процентного ресурса компонента для режима работы.

Блок 7. Расчет _Тр.γ(сеанс). Расчет коэффициента вариации ресурса, гамма-процентного срока хранения и гамма-процентного ресурса компонента для сеансного режима работы.

Блок 8. Расчет _Тр.γ(цикл). Расчет коэффициента вариации ресурса, гамма-процентного срока хранения и гамма-процентного ресурса компонента для циклического режима применения.

Блок 9. Окончание цикла по компонентам.

Блок 10. Расчет νЭВС. Расчет коэффициента вариации ресурса ЭВС.

Блок 11. Расчет гамма-процентного ресурса, гамма-процентного срока службы, среднего ресурса и среднего срока службы ЭВС.

Блок 12. Начало цикла по компонентам.

Блок 13. Определение «критических» ККТ. Формирование перечня «критических» компонентов.

Блок 14. Окончание цикла по компонентам.

Блок 15. Формирование гистограммы. Формирование гистограммы гамма-процентных ресурсов компонентов.

Блок 16. Вывод результатов расчетов.

Блок 17. Конец. Завершение работы программы АСКОД.

Особенностью алгоритма, приведенного на рис. 2, является то, что расчет гамма-процентного ресурса для режима работы – Т_р.γ(раб) – в Блоке 6 на рис. 2 проводится по формуле:

, (6)

где Т_рγТУ – гамма-процентный ресурс ККТ по ТУ; КЭ – коэффициент эксплуатации.

Расчет гамма-процентного ресурса компонента для сеансного режима работы – Т_р.γ(сеанс) – в Блоке 7 на рис. 2 проводится по формуле:

, (7)

где К_И.Эраб – коэффициент интенсивности эксплуатации ККТ в режиме работы; Т_р.γ(хр) – гамма-процентный срок хранения ККТ.

Расчет гамма-процентного срока службы компонента для циклического режима применения – Т_{с.сл.γсп}(цикл) – в Блоке 8 на рис. 2 проводится по формуле:

, (8)

где К_И.Эхр – коэффициент интенсивности эксплуатации ККТ в режиме хранения; К_усл – коэффициент, учитывающий условия хранения ЭВС.

На рис. 3 в качестве примера приведены результаты расчета показателей долговечности персонального компьютера с помощью программы АСКОД.

Рисунок 3. АСКОД: результаты расчета ПЭВМ

Однако, как показал опыт автоматизированной оценки показателей долговечности ЭВС с помощью программы АСКОД, значительную часть времени занимает поиск исходных данных (характеристик долговечности ККТ). В то же время опыт расчетов показателей безотказности электронных модулей с помощью системы АСОНИКА-К-СЧ [4] показывает, что это время можно существенно сократить, если создать базу данных (БД). Так, на рис. 4 приведена зависимость времени расчета наработки на отказ электронного модуля в зависимости от количества комплектующих элементов.

Рисунок 4. Время расчета наработки на отказ электронного модуля

Как видно из рис. 3, время расчета наработки на отказ электронного модуля, состоящего из 250 элементов, при использовании системы АСОНИКА-К-СЧ без БД сокращается в три раза по сравнению с «ручным» расчетом, а при использовании БД - в пять раз.

Поэтому дальнейшим развитием данного программного продукта является создание базы данных по характеристикам долговечности ККТ. Поскольку программа АСКОД будет интегрирована с программным комплексом АСОНИКА-К [4], то за основу создаваемой БД была взята модель базы данных системы АСОНИКА-К-СЧ, обобщенная структура таблиц которой показана на рис. 5.

Рисунок 5. Общая структура таблиц БД по характеристикам долговечности ККТ

В таблицах «General tables» хранится информация о типономиналах ККТ, их технологических классах, группах и подгруппах. Структура таблиц «General tables» представлена на рис. 6.

Рисунок 6. Структура таблиц «General tables»

Таблица «LST_EKB» служит для хранения основной информации о ККТ. В ней находятся номер ТУ, тип ККТ, его подгруппа и ID-номера. Таблица «LST_CLASS» служит для хранения информации о классах ККТ. В ней находится ID-номера классов их имена. Таблица «LST_GR» служит для хранения информации о группах. В ней находятся ID- номера групп, их имена и ID-номер класса. Таблица «LST_PDGR» служит для хранения информации о подгруппах ККТ. В ней находятся ID-номера подгрупп, их имена, ID-номер группы, ID-номер класса и формулы расчета характеристик долговечности. Эта таблица также служит связи таблиц «General tables» с таблицами «Class tables».

В таблицах «Class tables» хранится информация о ресурсах ККТ каждого типономинала и коэффициенты математических моделей расчета ресурса.

В качестве примера на рис. 7 приведена структура таблиц «Class tables» класса «Резисторы».

Рисунок 7. Структура таблиц «Class tables»

Таблицы «TRES_krej», «TRES_kvvk», «TRES_kvke», «TRES_ogr», «TRES_korn», «TRES_kvns», «TRES_kvnm», «TRES_korn», «TRES_keks» и «TRES_kvd» служат для хранения информации, необходимой для расчета ресурса ККТ. В них хранятся поправочные коэффициенты и константы, использующиеся в математических моделях ресурса ККТ. Таблицы «TRES_subgen» и «TRES_tmn» служат для хранения информации о характеристиках долговечности ККТ. В них хранятся значения гамма-процентных ресурсов, минимальных наработок и сроков хранения.

Заключение

Таким образом, использование программы АСКОД при проектировании электронно-вычислительных средств позволит не только снизить трудоемкость прогнозирования показателей их долговечности, но и выявить «критичные» компоненты. Это может оказаться полезным не только при разработке вычислительной техники ответственного назначения, но и для обоснования выбора компонентов для локальных вычислительных сетей, информационных систем и др., а также формирования запасов в комплектах ЗИП.

ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.
ОСТ 4.012.013-84. Аппаратура радиоэлектронная. Определение показателей долговечности.
Надежность ЭРИ: Справочник. – М.: МО РФ, 2006.
Абрамешин А.Е., Жаднов В.В., Полесский С.Н. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств наземно-космических систем: научное издание. / Отв. ред. В.В. Жаднов. – Екатеринбург: «Форт Диалог-Исеть», 2012. – 565 с.

Ключевые слова: долговечность, вычислительная техника, база данных, надежность.