Розробка методів прискореної оцінки надійності елементів і пристроїв обчислювальної техніки та систем керування

У додатках А, Б, В, Д і Е наведено допоміжні таблиці для планування прискорених випробувань, апріорного розрахунку надійності з урахуванням умов і режимів експлуатації, таблиці функцій DN-розподілу, а також численні приклади і результати статистичного моделювання.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена науково-прикладна проблема оцінки надійності високонадійних елементів і пристроїв обчислювальної техніки і систем керування, що має велике значення при розробці нових елементів, електронних пристроїв, а також інформаційних технологій і автоматизованих систем керування технологічними процесами, які виконани на їхній основі. У рамках ймовірнісно-фізичного підходу, що розвивається, до теорії прискореної оцінки надійності розроблені нові більш ефективні методи оцінки надійності, що дозволяють скоротити не тільки час одержання інформації про надійність виробів, але й обсяги випробувань виробів при незмінній чи більш високій точності одержуваних оцінок кількісних показників надійності.

За результатами проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Для високонадійних елементів і пристроїв обчислювальної техніки і систем керування чисто статистичні стратегії оцінки надійності є не ефективними. Найбільш кращим є ймовірнісно-фізичний підхід до оцінки надійності, заснований на використанні спеціальних ймовірнісних розподілів відмов, в основі формалізації яких лежить апроксимація процесу деградації виробу деяким випадковим процесом. Цей підхід дозволяє залучати різноманітну інформацію про процеси деградації виробів при рішенні задач оцінки їх надійності.

2. Вибір теоретичних моделей надійності виробів (функцій розподілу відмов) є першорядною за важливістю задачею, яка робить вирішальний вплив на результати оцінки надійності. Методичні похибки, обумовлені теоретичною моделлю, можуть мати дуже великі значення від одного до декількох порядків. Основною причиною неадекватності рішень задач надійності існуючими методами є широке використання однопараметричної експонентної моделі надійності (експоненційного розподілу).

3. Найбільш ефективними для оцінки надійності високонадійних виробів є ймовірнісно-фізичні моделі надійності і серед них - дифузійні розподіли наробітку до відмови (DN і DM- розподіли). Математичний апарат рішення задач надійності на основі дифузійних розподілів приводить не тільки до більш точних прогнозних оцінок у порівнянні з традиційним математичним апаратом, але і до рішення істотно більшого числа типових задач надійності, включаючи і методи прискореної оцінки надійності. Параметри дифузійних розподілів мають фізичну інтерпретацію у виді середньої швидкості і коефіцієнта варіації узагальненого процесу деградації, що дозволяє використовувати для їхньої оцінки різноманітну апріорну інформацію про виріб.

4. За результатами проведених досліджень розроблено ефективні прискорені методи апріорної й апостеріорної оцінки надійності високонадійних елементів і пристроїв обчислювальної техніки і систем керування, що дозволяють в умовах мінімальної статистики відмов значно скоротити час отримання інформації про надійність виробів при збереженні точності оцінок кількісних показників надійності, що одержуваються.

У межах рішення науково-прикладної проблеми оцінки надійності високонадійних елементів і пристроїв обчислювальної техніки і систем керування отримані наступні основні результати:

1. На основі методу представлення узагальненого процесу деградації виробу у вигляді діаграми Парето, побудовано діаграми для нормальних режимів експлуатації всіх основних типів елементів обчислювальної техніки і систем керування. Показано, що діаграми Парето є основним джерелом апріорної інформації про процеси деградації виробу і дають можливість наочно відслідковувати трансформацію деградаційної картини виробу при зміні умов роботи у випадку прискорених випробувань на надійність.

2. На основі апріорної інформації про складені процеси деградації, що міститься в діаграмі Парето і гіпотези про незалежність складених процесів деградації, отримано уточнені оцінки параметрів дифузійного розподілу відмов виробів з урахуванням одночасного протікання декількох процесів деградації з різними характеристиками.

3. Отримано уточнені оцінки коефіцієнтів варіації для всіх основних типів елементів, що дозволяє підвищити точність результатів прогнозування і прискореної оцінки надійності.

4. Розроблено методи попередніх досліджень виробів з метою одержання необхідних даних для побудови їх деградаційної картини у вигляді діаграми Парето. Показано, що гадана енергія активації виробу в цілому не є постійною величиною і залежить від інтервалу температур, на якому вона визначається.

5. З метою дослідження процесів деградації, що протікають в електричних монтажних схемах, та накопичування інформації про види і причини їх відмов розроблено ефективні методи аналізу несправностей, які засновані на математичному апараті діагностики логічних схем. Показано, що ці методи дозволяють коректно будувати і доводити повноту тестів з меншою кількістю тестових перевірок.

6. На основі декомпозиції виробу на елементи і процеси деградації розроблені методи апріорного розрахунку коефіцієнтів форсування середньої швидкості деградації електронних модулів і електронних пристроїв, що дозволяє оцінювати надійність даного класу виробів шляхом прискорених випробувань.

7. Розроблено метод планування прискорених визначальних випробувань на надійність за допомогою діаграми погрішностей, що дозволяє при збереженні точності в оцінці показника надійності скоротити тривалість випробувань пропорційно збільшенню коефіцієнта форсування.

8. На основі апріорних оцінок коефіцієнтів форсування середньої швидкості деградації виробу розроблені методи планування прискорених контрольних випробувань на надійність одноступінчастим методом. Показано, що дані методи дозволяють при фіксованому часі скоротити тривалість випробувань пропорційно збільшенню коефіцієнта форсування, а при фіксованому числі відмов скоротити як тривалість випробувань, так і кількість необхідних зразків.

9. На основі DN-розподілу наробітку до відмови розроблені інженерні методи розрахунку надійності елементів (напівпровідникових приладів, інтегральних мікросхем, резисторів, конденсаторів), електронних модулів і електронних пристроїв з урахуванням умов і режимів експлуатації, що дозволяє одержати більш точну прогнозну оцінку надійності. Розроблено процедури коректування вихідних даних про надійність елементів (інтенсивностей відмов, середніх наробітків до відмови) з урахуванням умов і режимів експлуатації.

10. Розроблено методи параметричного прогнозування надійності слабкострумових електричних контактів, що дозволяє оцінювати як надійність самих контактів, так і рознімних з'єднувачів, виконаних на основі даних контактів.

11. Розроблено методи статистичного моделювання надійності функціональних блоків і пристроїв, а також моделювання складного процесу деградації виробу, що дозволяє оцінювати чи самостійно підтверджувати оцінки характеристик і показників надійності, отриманих іншими розробленими методами.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ:

1. Стрельников В.П., Федухин А.В. Оценка и прогнозирование надежности электронных элементов и систем. - Киев: Логос, 2002. - 486 с.

2. ДСТУ 2860-94. Надійність техніки. Терміни та визначення. - Введ. 01.01.96. - К.: Вид-во стандартів, 1994. - 91 с.

3. ДСТУ 2861-94. Надійність техніки. Аналіз надійності. Основні положення. - Введ. 01.01.96. - К.: Вид-во стандартів, 1994. - 32 с.

4. ДСТУ 2862-94. Надійність техніки. Методи розрахунку показників надійності. Загальні вимоги. - Введ. 01.01.96. - К.: Вид-во стандартів, 1995. - 38 с.

5. ДСТУ 2863-94. Надійність техніки. Програма забезпечення надійності. Загальні вимоги. - Введ. 01.01.96. - К.: Вид-во стандартів, 1994. - 37 с.

6. ДСТУ 2992-95. Вироби електронної техніки. Методи розрахунку надійності. - Введ. 01.01.96. - К.: Вид-во стандартів, 1995. - 78 с.

7. ДСТУ 3942-2000. Надійність техніки. Плани випробувань для контролю среднього наробітку до відмови (на відмову). Частина 2. Дифузійний розподіл. - Введ. 01.01.00. - К.: Вид-во стандартів, 1999. - 30 с.

8. ДСТУ 3004-95. Надійність техніки. Методи оцінки показників надійності за експериментальними даними. - Введ. 01.01.96. - К.: Вид-во стандартів, 1995. - 123 с.

9. ДСТУ 3433-96. Надійність техніки. Моделі відмов. Основні положення. - Введ. 01.01.97. - К.: Вид-во стандартів, 1996. - 42 с.

10. ГОСТ 27.005-97. Надежность в технике. Модели отказов. Основные положения. - Введ. 01.01.99. - Киев: Изд-во стандартов, 1997. - 45 с.

11. ГОСТ 27.506-2000. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля средней наработки до отказа (на отказ). Часть 2. Диффузионное распределение. - Введ. 01.07.2001. - Киев: Изд-во стандартов, 2000. - 30 с.

12. Федухин А.В. Анализ надежности как способ обеспечения надежности // Тр. Первой Украинской научно-практической конф. “Надежность - современное состояние, проблемы, перспективы”. - Киев. - 1995. - С. 39-40.

13. Федухин А.В., Стрельников В.П. Метод построения полных проверяющих тестов для электрических монтажных схем // Математические машины и системы. - 1997. - № 1. - С. 115-124.

14. Федухин А.В., Бутенко Е.В. Ускоренная оценка надежности изделий электронной техники // Математические машины и системы. - 1997. - № 2. - С. 84-93.

15. Стрельников В.П., Федухин А.В., Яковлев М.Ф. Вероятностно-физический подход к расчету показателей надежности механических узлов средств вычислительной техники // Математические машины и системы. - 1997. - № 2. - С.101-113.

16. Федухин А.В. Оценка влияния логической функции восстанавливающего органа на надежность резервированного дискретного устройства // Математи-ческие машины и системы. - 1998. - № 2. - С. 74-79.

17. Аристов В.А., Гладков В.А., Федухин А.В. Принципы микропроцессорной диагностики рельсовых цепей в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики / Сб. наук. пр. КІЗТ: - К.: Вид-во КІЗТ, 1998. - Т.1. - Вип.1. - С. 100-105.

18. Федухин А.В. Ускоренная оценка надежности типовых функциональных блоков средств вычислительной техники // Математические машины и системы. - 1998. - № 1. - С. 108-112.

19. Федухин А.В. Прогнозирование параметрической надежности полупроводниковых приборов с использованием диффузионного распределения наработки до отказа // Математические машины и системы. - 1999. - № 2. - С. 117-122.

20. Федухин А.В. Оценка эффективности мультиустойчивых систем с учетом надежности их компонент // Математические машины и системы. - 1999. - № 1. - С. 118-122.

21. Стрельников В.П., Федухин А.В., Яковлев М.Ф. Прогнозирование надеж-ности слаботочного плоского разъемного соединения // Математические ма-шины и системы. - 1999. - № 3. - С. 69-79.

22. Федухин А.В., Сеспедес-Гарсия Н.В. Уточненный расчет надежности электронных устройств на основе DN-распределения // Математические машины и системы. - 2000. - № 2, 3. - С. 170-175.

23. Федухин А.В., Яковлев М.Ф. Ускоренная оценка надежности многослойных печатных плат // Математические машины и системы. - 2000. - № 1. - С. 101-110.

24. Федухин А.В. Методы ускоренной оценки надежности СВТ. Классификация, основные понятия и определения // Математические машины и системы. - 2001. - № 1, 2. - С. 194-204.

25. Федухин А.В. Контрольные испытания СВТ на надежность в форсированных режимах // Математические машины и системы. - 2002. - № 1. - С. 134-140.

26. Федухин А.В. Автомодельность форсированных испытаний на надежность // Математические машины и системы. - 2002. - № 2. - С. 184-192.

27. Федухин А.В. Ускоренные определительные испытания в форсированных режимах // Математические машины и системы. - 2002. - № 3. - С. 148-154.

28. Федухин А.В. Методы анализа качества и диагностики неисправностей многослойных печатных плат // Математические машины и системы. - 2003. - № 2. - С. 175-182.

29. Федухин А.В. Диагностика коротких замыканий в многослойных печатных платах // Математические машины и системы. - 2003. - № 3, 4. - С. 232-236.

30. Федухин А.В. О преобразовании диаграммы Парето // Математические машины и системы. - 2003. - № 1. - С. 147-151.

31. Федухин А.В. К вопросу ускоренной оценки надежности технических средств информатики по результатам форсированных испытаний // Управляющие системы и машины. - 2003. - № 1. - С. 18-24.

32. Федухин А.В. Контроль качества и диагностика неисправностей многослойных печатных плат // Надежность. - 2003. - №3(6). - С. 49-55.

33. Федухин А.В. О влиянии температуры на характер деградационной картины изделий электронной техники // Комп'ютерні засоби, мережі та системи: Зб. наук. пр. - К.: Ін-т кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, 2003. - № 2. - С. 113-118.

34. Федухин А.В. Ускоренная оценка надежности технических средств автоматизации производственных процессов // Автоматизація виробничих процесів. - 2003. - № 2(17). - С. 121-125.

35. Федухин А.В. К вопросу о постоянстве кажущейся энергии активации изделий электронной техники // Математические машины и системы. - 2004. - № 1. - С. 183-187.

36. Федухин А.В. Оценка коэффициента вариации по результатам испытаний в форсированном режиме // Математические машины и системы. - 2004. - № 2. - С. 196-199 .

37. Федухин А.В. Прогнозирование надежности электронных устройств после длительного хранения // Математические машины и системы. - 2004. - № 4. - С. 164-170.

38. Федухин А.В. Ускоренная оценка долговечности электронных функциональных блоков // Матеріали Всеукр. молодіжної науково-практичної конф. “Людина і космос”. - Дніпропетровськ. - 1999. - С. 11.

39. Федухин А.В., Стрельников В.П. Уточненный расчет надежности электронных устройств на основе DN - распределения // Тр. Междунар. конф. и Российской научн. шк. “Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий”. - М.: ГНПО “Агат”. - 2001. - Ч. 1. - С. 82-84.

40. Федухин А.В. Контроль средней наработки до отказа электронных устройств по результатам форсированных испытаний // Тр. Междунар. конф. и Российской научн. шк. “Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий”. - М.: Радио и связь. - 2002. - Ч. 2. - С. 167-172.

41. Федухин А.В. Методы диагностики неисправностей многослойных печатных плат // Тр. Междунар. конф. и Российской научн. шк. молодых ученых и специалистов “Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий”. - М.: Радио и связь. - 2003. - Ч. 1. - С. 51.

42. Федухин А.В. К вопросу о постоянстве кажущейся энергии активации изделий электронной техники // Тр. Междунар. конф. и Российской научн. шк. молодых ученых и специалистов “Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий”. - М.: Радио и связь. - 2004. - Ч.1. - С. 164.

АНОТАЦІЯ

Федухін О.В. Розробка методів прискореної оцінки надійності елементів і пристроїв обчислювальної техніки та систем керування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи і пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2005.

У межах ймовірнісно-фізичного підходу, що розвивається у дисертації, розроблені нові більш ефективні методи прискореної оцінки надійності, що дозволяють скоротити не тільки час одержання інформації про надійність виробів, але й обсяги випробувань виробів. Розроблено методи апріорного розрахунку надійності на основі DN-розподілу наробітку до відмови з урахуванням реальних режимів і умов експлуатації виробу, методи планування й обробки результатів прискорених контрольних і визначальних випробувань на надійність у форсованих режимах навантаження, методи параметричного прогнозування надійності та методологія статистичного моделювання складного процесу деградації виробу і моделювання надійності функціональних блоків і пристроїв.

Ключові слова: Елементна база, процес деградації, квазіелемент, дифузійний розподіл наробітку до відмови, ймовірнісно-фізичний підхід до теорії прискореної оцінки надійності.

АННОТАЦИЯ

Федухин А.В. Разработка методов ускоренной оценки надежности элементов и устройств вычислительной техники и систем управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2005.

Решена научная проблема ускоренной оценки надежности высоконадежных элементов и устройств вычислительной техники и систем управления, имеющая большое значение при разработке новых элементов и устройств, а также информационных технологий и автоматизированных систем управления технологическими процессами, построенных на их основе.

Проведен анализ современных технологий исследования надежности, который показал, что на сегодняшний день для высоконадежных элементов и устройств вычислительной техники и систем управления чисто статистические стратегии оценки надежности являются не эффективными по причине ограниченности статистики отказов. Наиболее предпочтительным является вероятностно-физический подход к оценке надежности, основанный на использовании специльных вероятностных распределений, в основе формализации которых лежит аппроксимация случайного процесса деградации изделия некоторым случайным процессом и получение специальных вероятностных распределений отказов. Данный подход позволяет привлекать разнообразную информацию о процессах деградации, протекающих в изделии, при решении задач ускоренной оценки надежности.

Показано, что наиболее эффективными для оценки надежности высоконадежных изделий являются вероятностно-физические модели надежности и среди них - диффузионные распределения наработки до отказа (DN и DM- распределения). Математический аппарат решения задач надежности на основе диффузионных распределений приводит не только к более точным прогнозным оценкам по сравнению с традиционным математическим аппаратом, но и к решению существенно большего числа типовых задач надежности, включая и методы ускоренной оценки надежности.

В рамках развиваемого в диссертации вероятностно-физического подхода к теории ускоренной оценки надежности разработаны новые более эффективные методы оценки надежности, позволяющие сократить не только время получения информации о надежности изделий, но и объемы испытаний изделий при неизменной или более высокой точности получаемых оценок количественных показателей надежности. Данный подход базируется на углубленном знании физики отказов изделий и использовании в качестве теоретической модели надежности диффузионных распределений (DN и DM-распределений) наработки до отказа. На его основе получил дальнейшее развитие способ представления априорной информации о процессах деградации, одновременно протекающих в изделии, в виде диаграммы Парето и модель надежности изделия в виде набора квазиэлементов, количество которых соответствует количеству составных процессов деградации.

Уточнено одно из фундаментальных понятий теории ускоренной оценки надежности - понятие автомодельности, лежащее в основе выбора режимов ускоренных испытаний. Cформулированы основные условия автомодельности ускоренных испытаний.

Разработаны методы предварительных исследований изделий с целью получения необходимых данных для построения диаграммы Парето. Разработаны эффективные методы исследования отказов электрических монтажных схем.

Разработаны методы априорного расчета надежности на основе DN-распределения наработки до отказа с учетом реальных режимов и условий эксплуатации изделия. В области апостериорных методов оценки надежности впервые разработана методы планирования и обработки результатов ускоренных контрольных и определительных испытаний на надежность в форсированных режимах нагружения. Разработаны методы априорного расчета коэффициентов форсирования средней скорости деградации электронных модулей и электронных устройств произвольной сложности, используемые в планировании и обработке результатов ускоренных испытаний на надежность.

Получили дальнейшее развитие методы параметрического прогнозирования надежности электронных и электротехнических изделий по результатам форсированных испытаний. На основе генератора случайных чисел, распределенных в соответствии с DN-распределением наработки до отказа, разработана методология статистического моделирования сложного процесса деградации изделия и моделирования надежности функциональных блоков и устройств.

Ключевые слова: Элементная база, процесс деградации, квазиэлемент, диффузионное распределение наработки до отказа, вероятностно-физический подход к теории ускоренной оценки надежности.

ABSTRACT

Fedukhin A.V. Development of the methods of reliability accelerated estimation of the elements and devices of computer facilities and control systems - Manuscript.

The dissertation is submitted to receiving the Doctor of technical Science degree in speciality 05.13.05 - elements and devices of computer's equipment and control systems. - V.M. Glushkov's Institute of Cybernetics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

Within the framework of the developed in dissertation probability-physical approach the new more effective methods of the accelerated estimation of reliability are developed, allowing to reduce not only time of reception of the information on products reliability, but also volumes of products tests. A priori calculation methods of reliability on the basis of DN - distribution of an operating time to refusal in view of real product service conditions, the techniques of planning and processing of results of the accelerated control and definitive reliability test in the forced weighting modes, the methods of parametrical forecasting of reliability and the methodology of statistical modeling of product's degradation complex process and modeling of functional blocks and devices reliability are developed.

Key words: Elemental basis, process of degradation, quasielement, diffusive distribution of an operating time to refusal, probability-physical approach to the theory of the accelerated estimation of reliability.

Размещено на Allbest.ru