Устройство для моделирования отказов и повреждений в сложных системах

Изобретение относится к устройствам моделирования и используется при проектировании систем оценки эксплуатационных показателей. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей. Устройство содержит датчик первичного потока случайных импульсов, элемент И, одновибратор, счетчик импульсов, первый, второй и третий элементы задержки, генератор равномерно распределенных случайных чисел, первый и второй регистры памяти, элементы И первой, второй и третьей группы, арифметический блок, генератор случайных чисел с заданным законом распределения, дешифратор, наборное поле, группу триггеров, элемент ИЛИ, генератор потока случайных импульсов, второй элемент И, генератор шума, вторая группа триггеров, элементы ИЛИ первой группы. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам моделирования и может быть использовано при проектировании радиоэлектронных, технических систем для оценки эксплуатационных показателей.

Известно устройство для моделирования отказов в сложных системах [1], содержащее датчик первичного потока случайных импульсов, элемент И, одновибратор, счетчик числа отказов, арифметический блок, первый и второй регистры памяти, генератор равномерно распределенных случайных чисел, генератор случайных чисел с заданным законом распределения, первый и второй элементы задержки, первую, вторую и третью группы элементов И, дешифратор, блок задания отказавших условных элементов, группу триггеров, элемент ИЛИ, блок формирования потока случайных импульсов.

Недостатком этого устройства является невозможность моделирования отказов, обусловленных аварийными повреждениями.

Известно также устройство для моделирования отказов [2], содержащее генератор тактовых импульсов, первый и второй генераторы случайных чисел, первый и второй нелинейные преобразователи, блок сравнения, блок обработки результатов, выходную клемму, третий, четвертый, пятый и шестой нелинейные преобразователи, блок умножения.

Недостатком устройства является отсутствие возможности моделирования отказов, обусловленных аварийными повреждениями.

Наиболее близким к заявленному устройству по принципу действия и технической реализации является устройство для моделирования отказов в сложных системах [3], содержащее датчик первичного потока случайных импульсов, элемент И, одновибратор, счетчик импульсов, первый и второй элементы задержки, генератор равномерно распределенных случайных чисел, первый и второй регистры памяти, элементы И первой, второй и третьей группы, арифметический блок, генератор случайных чисел с заданным законом распределения, дешифратор, наборное поле, группу триггеров, элемент ИЛИ.

Однако устройство-прототип имеет недостаток: отсутствие возможности моделирования отказов, обусловленных аварийными повреждениями.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения моделирования процесса возникновения аварийных повреждений, вызванных внешними воздействиями.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для моделирования отказов в сложных системах, содержащее датчик первичного потока случайных импульсов, элемент И, одновибратор, счетчик импульсов, первый и второй элементы задержки, генератор равномерно распределенных случайных чисел, первый и второй регистры памяти, элементы И первой, второй и третьей группы, арифметический блок, генератор случайных чисел с заданным законом распределения, дешифратор, наборное поле, группу триггеров, элемент ИЛИ, дополнительно введены генератор потока случайных импульсов, второй элемент И, третий элемент задержки, генераторы шума, вторая группа триггеров, элементы ИЛИ первой группы.

Предлагаемое устройство позволяет моделировать отказы и повреждения, возникающие вследствие внешних воздействий. Аварийные повреждения - это события, заключающиеся в нарушении исправности техники вследствие внешних воздействий. Они возникают в результате нанесения механических ударов, изменения давления, введения агрессивных веществ в атмосферу, облучения, появления на входах аппаратуры электрических сигналов или напряжений, выходящих за пределы допуска. Возникающие в результате повреждения неисправности могут носить как общий, так и местный характер, что и определяется теми или иными особенностями внешних воздействий. Их уровень (величина внешних воздействий) определяет количество различных неисправностей в аппаратуре [4, стр.7].

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность выявления предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется схемой устройства для моделирования отказов и повреждений в сложных системах.

Заявленное устройство, схема которого представлена на чертеже, состоит из датчика первичного потока случайных импульсов 1, элемента И 2, одновибратора 3, счетчика импульсов 4, первого 10, второго 13 и третьего 21 элементов задержки, генератора равномерно распределенных случайных чисел 8, первого 7 и второго 6 регистров памяти, элементов И первой 12¹-12ⁿ, второй 11¹-11ⁿ и третьей 17¹-17ⁿ группы, арифметического блока 5, генератора случайных чисел с заданным законом распределения 9, дешифратора 14, наборного поля 15, группы триггеров 16¹-16ⁿ, элемента ИЛИ 18, генератора потока случайных импульсов 19, второго элемента И 20, генераторов шума 22¹-22ⁿ, второй группы триггеров 23¹-23ⁿ, элементов ИЛИ 24¹-24ⁿ первой группы. Выход датчика первичного потока случайных импульсов 1 соединен с первым входом элемента И 2. Второй вход элемента И 2 подключен к выходу одновибратора 3, вход которого является входом задания сигнала опроса устройства (вход 1) и соединен с разрядными входами счетчика импульсов 4. Разрядные выходы счетчика импульсов 4 являются группой выхода числа отказов или повреждений устройства (выход 3). Выход элемента И 2 подключен к входам первого элемента задержки 10 и генератора равномерно распределенных случайных чисел 8, выходы которого подключены к входам первого регистра памяти 7. Первые входы элементов И первой группы 12¹-12ⁿ соединены с выходом первого элемента задержки 10, а выходы подключены соответственно к первой группе входов арифметического блока 5. Первая группа выходов арифметического блока 5 является группой выходов времени отказов или повреждений устройства (выход 1), а вторая группа входов арифметического блока 5 соединена соответственно с выходами элементов И второй группы 11¹-11ⁿ. Первые входы элементов И второй группы 11¹-11ⁿ подключены соответственно через второй регистр памяти 6 к выходам генератора случайных чисел с заданным законом распределения 9. Входы дешифратора 14 подключены соответственно ко второй группе выходов арифметического блока 14, а выходы - к соответствующим входам наборного поля 15. Выходы наборного поля 15 подключены соответственно к первым входам элементов И третьей группы 17¹-17ⁿ и к единичным входам триггеров группы 16¹-16ⁿ. Нулевые входы триггеров группы 16¹-16ⁿ соединены с входом устройства (вход 1), а группа прямых выходов является группой выходов номера отказавшего или поврежденного элемента устройства (выход 2). Инверсные выходы триггеров группы 16¹-16ⁿ подключены соответственно к вторым входам элементов И третьей группы 17¹-17ⁿ, выходы которых соединены соответственно с входами элемента ИЛИ 18. Выход элемента ИЛИ 18 подключен к информационному входу счетчика импульсов 4, входу генератора случайных чисел с заданным законом распределения 9 и входу второго элемента задержки 13. Выход второго элемента задержки 13 подключен к вторым входам элементов И второй группы 11¹-11ⁿ. Выход генератора потока случайных импульсов 19 подключен к первому входу второго элемента И 20. Второй вход второго элемента И 20 подключен к выходу одновибратора 3, а выход - ко входу третьего элемента задержки 21. Выход третьего элемента задержки 21 соединен с информационными входами второй группы триггеров 23¹-23ⁿ. Первые входы элементов ИЛИ первой группы 24¹-24ⁿ соединены с выходами первого регистра памяти 7, а вторые входы - с выходами второй группы триггеров 23¹-23ⁿ. Выходы элементов ИЛИ первой группы 24¹-24ⁿ соединены со вторыми входами элементов И первой группы 12¹-12ⁿ, а выходы генераторов шумов 22^l-22ⁿ подключены соответственно к синхронизирующим входам второй группы триггеров 23¹-23ⁿ. Вход задания сигнала опроса устройства (вход 1) соединен с установочными входами второй группы триггеров 23¹-23ⁿ.

Генератор потока случайных импульсов 19 предназначен для формирования потока случайных импульсов. Его схема известна и описана, например, в книге: Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Криптография. - М.: Гелиос АРВ, 2001, стр.252, рис.36 [7].

Второй элемент И 20 предназначен для проключения потока случайных импульсов на третий элемент задержки 21. Его схема известна и описана, например, в книге: Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил., стр.48, рис.3.2 [5].

Третий элемент задержки 21 предназначен для задержки сигнала. Его схема известна и описана, например, в книге: Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил., стр.147, рис.6.10 [5].

Генераторы шума 22¹-22ⁿ предназначены для формирования случайно изменяющихся во времени выходных напряжений. Их схемы известны и описаны, например, в книге: Коротков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1988, с.107, рис.7.2.4 [6].

Вторая группа триггеров 23¹-23ⁿ предназначена для формирования случайного числа, соответствующего количеству поврежденных элементов при другом, заданном законе распределения. Их схемы известны и описаны, например, в книге: Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил., стр.147, рис.6.10 [5].

Элементы ИЛИ первой группы 24¹-24ⁿ предназначены для формирования сигнала на выходе, если хотя бы на один из входов подан сигнал. Их схемы известны и описаны, например, в книге: Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил., стр.52, рис.3.8 [5].

Заявленное устройство работает следующим образом.

Сигнал опроса, определяющий начало очередной статистической реализации, сбрасывает группу триггеров 16¹-16ⁿ, вторую группу триггеров 23¹-23ⁿ и счетчик импульсов 4, на выходе которого появляется число подсчитанных импульсов, соответствующее количеству отказов или повреждений элементов системы в предыдущей реализации, и запускает одновибратор 3, который открывает элементы И 2, второй элемент И 20 на заданное время Δt, соответствующее времени работы системы. В течение этого времени импульсы от датчика первичного потока случайных импульсов 1, при наличии напряжения U_пит на входе питания датчика первичного потока случайных импульсов 1, а также отсутствии напряжения U_пит на входе питания генератора потока случайных импульсов 19 и напряжения U_пит1,...,U_питn на входах питания генераторов шума 22¹-22ⁿ, поступают на вход генератора равномерно распределенных случайных чисел 8 и через элемент задержки 10 - на управляющие входы элементов И первой группы 12¹-12ⁿ. Элемент задержки 10 необходим для того, чтобы генератор равномерно распределенных случайных чисел 8, работающий в ждущем режиме, успел сформировать и установить на регистре памяти 7 случайное число ξ, соответствующее номеру отказавшего условного элемента. Далее случайное число ξ поступает на входы элементов ИЛИ первой группы 24¹-24ⁿ, на выходах которых это случайное число, параллельным кодом через элементы И 12¹-12ⁿ поступает на первый вход арифметического блока 5. В арифметическом блоке 5 случайное число ξ умножается на количество условных элементов системы М, округляется до ближайшего целого и поступает через его второй вход на вход дешифратора 14. Дешифратор имеет М выходов шин. После дешифрации входного числа на шине, номер которой соответствует номеру отказавшего условного элемента, появляется импульс, который поступает на соответствующий вход наборного поля 15. Наборное поле 15 имеет М входов и N выходов, которые в исходном состоянии между собой не связаны. Перед началом испытаний на наборном поле 15 каждые n_i входов (i=1,2,..., N) соединяются с i-м выходом, что соответствует представлению каждого i-го элемента сложной системы через n_i условных элементов. Таким образом, импульс с входа наборного поля 15 проходит на тот его выход, который соответствует элементу сложной системы, содержащему отказавший условный элемент. С выхода наборного поля 15 этот импульс поступает на второй вход соответствующего элемента И третьей группы 17¹-17ⁿ и на единичный вход соответствующего триггера 16. Поскольку элемент И третьей группы 17¹-17ⁿ открыт по первому входу сигналом с инверсного выхода соответствующего триггера 16¹-16ⁿ, этот импульс проходит на соответствующий вход элемента ИЛИ 18. Одновременно под действием этого импульса триггер устанавливается в единичное состояние и на его прямом выходе появляется сигнал, который по одной из шин поступает на выход 3 устройства, причем номер этой шины соответствует номеру отказавшего элемента сложной системы. Очевидно, что в пределах одной реализации повторные импульсы, поступающие с выхода наборного поля 15 на единичный вход данного триггера, означающие отказы других условных элементов, входящих в состав данного элемента сложной системы, не изменяют состояния триггера и не проходят на вход элемента ИЛИ 18. С выхода элемента ИЛИ 18 импульс поступает на информационный вход счетчика импульсов 4 для подсчета. Одновременно этот импульс поступает на вход генератора случайных чисел с заданным законом распределения 9 и через элемент 13 задержки - на управляющие входы элементов И второй группы 11¹-11ⁿ. Элемент задержки 13 необходим для того, чтобы генератор случайных чисел с заданным законом распределения 9, работающий в ждущем режиме, успел сформировать и установить на регистре памяти 6 случайное число ξ до прихода импульса на управляющие входы элементов И второй группы 11¹-11ⁿ. В арифметическом блоке 5 случайное число ξ умножается на Δt и поступает на его первый выход, который является вторым выходом устройства. По окончании реализации, начало которой задается импульсом опроса, а окончание - концом интервала Δt, на счетчике импульсов 4 накапливается число, соответствующее количеству отказов элементов в системе за время Δt. Время Δt равно, с учетом выбираемого масштаба, времени работы системы. С приходом очередного импульса опроса (интервал между этими импульсами должен быть больше или равен Δt) цикл работы устройства повторяется для новой статистической реализации. Таким образом, происходит формирование потока отказов.

Формирование потока повреждений происходит следующим образом. Напряжение U_пит на вход питания датчика первичного потока случайных импульсов 1 не подается. Поток импульсов от генератора потока случайных импульсов 19, при наличии напряжение U_пит на входе питания генератора потока случайных импульсов 19, через второй элемент И 20 поступает на третий элемент задержки 21, который необходим для того, чтобы сигнал опроса успел сбросить группу триггеров 23¹-23ⁿ до прихода потока случайных импульсов. Далее сигнал с третьего элемента задержки 21 поступает на информационные входы группы триггеров 23¹-23ⁿ. При подаче напряжения U_пит1,..., U_питn на входы питания генераторов шума 22¹-22ⁿ на их выходах начинает формироваться случайная последовательность, поступающая на входы триггеров 23¹-23ⁿ, где будет формироваться случайное число λ, соответствующее номеру поврежденного элемента при другом, заданном законе распределения. Далее случайное число λ поступает на входы элементов ИЛИ первой группы 24¹-24ⁿ, на выходах которых это случайное число, параллельным кодом через элементы И 12¹-12ⁿ, поступает на первый вход арифметического блока 5. В арифметическом блоке 5 случайное число λ умножается на количество условных элементов системы М, округляется до ближайшего целого и поступает через его второй выход на вход дешифратора 14. После дешифрации входного числа на шине, номер которой соответствует номеру поврежденного условного элемента, появляется импульс, который поступает на соответствующий вход наборного поля 15. Импульс с входа наборного поля 15 проходит на тот его выход, который соответствует элементу сложной системы, содержащему поврежденный условный элемент. С выхода наборного поля 15 этот импульс поступает на второй вход соответствующего элемента И третьей группы 17¹-17ⁿ, на единичный вход соответствующего триггера 16, на соответствующий вход элемента ИЛИ 18. Одновременно под действием этого импульса триггер устанавливается в единичное состояние и на его прямом выходе появляется сигнал, который по одной из шин поступает на выход 3 устройства, причем номер этой шины соответствует номеру поврежденного элемента сложной системы. С выхода элемента ИЛИ 18 импульс поступает на информационный вход счетчика импульсов 4 для подсчета. По окончании реализации на счетчике импульсов 4 накапливается число, соответствующее количеству повреждений элементов в системе за время Δt.

Таким образом, в каждой статистической реализации на первом выходе устройства получается информация о количестве отказавших или поврежденных элементов сложной системы за время ее работы, на втором выходе - информация о распределении отказов или повреждений во времени, на третьем - номера отказавших или поврежденных элементов.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить моделирование процесса возникновения аварийных повреждений, вызванных внешними воздействиями.

Оценка эффективности предлагаемого устройства проводилась путем сравнения достоверности оценки технического состояния сложной технической системы при моделировании процесса отказов и при моделировании процессов отказов и повреждений, вызванных внешними воздействиями.

Из формулы 11.8.6, стр.463 [8]

где Ф - функция Лапласа;

N - количество моделируемых событий;

р_ош - реальное значение оценки;

- требуемое значение оценки;

ε - величина доверительного интервала.

Определим достоверность оценки технического состояния сложной системы, принимая

Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу [9]:

Тогда:

Для случая, когда р_ош, вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая , тогда:

Тогда, определим t_α1 и t_α2, принимая ε=0,05, а N=1 для прототипа (при моделировании отказов) и N=2 для заявленного устройства (при моделировании повреждений и отказов):

Таким образом, можно оценить эффективность заявленного устройства:

Источники информации

1. Патент на изобретение «Устройство для моделирования отказов в сложных системах». Авт. св. СССР №1487062, G 06 F 15/20, 1989.

2. Патент на изобретение «Устройство для моделирования отказов». Авт. св. СССР №741270, G 06 F 15/20,1980.

3. Патент на изобретение «Устройство для моделирования отказов в сложных системах». Авт. св. СССР №1108457, G 06 F 15/20, 1984.

4. Ксенз С.П. Основы технической диагностики средств и комплексов связи и автоматизации управления. - Л., ВАС, 1989, 192 с.

5. Токхейм Р. Основы цифровой электроники: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 392 с., ил.

6. Коротков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1988.

7. Алферов А.П., Зубов А.Ю., Кузьмин А.С., Черемушкин А.В. Криптография. - М.: Гелиос АРВ, 2001.

8. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988. 480 с.

9. Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992, 206 с.

Устройство для моделирования отказов и повреждений в сложных системах, содержащее датчик первичного потока случайных импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу одновибратора, вход одновибратора является входом задания сигнала опроса устройства (вход 1) и соединен с разрядными входами счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются группой выхода числа отказов или повреждений устройства (выход 3), выход элемента И подключен к входам первого элемента задержки и генератора равномерно распределенных случайных чисел, выходы которого через первый регистр памяти подключены соответственно к первым входам элементов И первой группы, вторые входы которых соединены с выходом первого элемента задержки, а выходы элементов И первой группы подключены соответственно к первой группе входов арифметического блока, первая группа выходов которого является группой выходов времени отказов или повреждений устройства (выход 1), а вторая группа входов арифметического блока соединена соответственно с выходами элементов И второй группы, первые входы которых подключены соответственно через второй регистр памяти к выходам генератора случайных чисел с заданным законом распределения, входы дешифратора подключены соответственно к второй группе выходов арифметического блока, а выходы - к соответствующим входам наборного поля, выходы которого подключены соответственно к первым входам элементов И третьей группы и к единичным входам триггеров группы, нулевые входы которых соединены с входом устройства (вход 1), группа прямых выходов триггеров группы является группой выходов номера отказавшего или поврежденного элемента устройства (выход 2), а инверсные выходы триггеров группы подключены соответственно к вторым входам элементов И третьей группы, выходы которых соединены соответственно с входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к информационному входу счетчика импульсов, входу генератора случайных чисел с заданным законом распределения и входу второго элемента задержки, выход которого подключен к вторым входам элементов И второй группы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит генератор потока случайных импульсов, второй элемент И, третий элемент задержки, генераторы шума, вторую группу триггеров, элементы ИЛИ первой группы, при этом выход генератора потока случайных импульсов подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу одновибратора, а выход второго элемента И подключен ко входу третьего элемента задержки, выход которого соединен с информационными входами второй группы триггеров, между первым регистром памяти и элементами И первой группы включены элементы ИЛИ первой группы, первые входы которых соединены с выходами первого регистра памяти, а вторые входы - с выходами второй группы триггеров, выходы элементов ИЛИ первой группы соединены со вторыми входами элементов И первой группы, выходы генераторов шумов подключены соответственно к синхронизирующим входам второй группы триггеров, вход задания сигнала опроса устройства (вход 1) соединен с установочными входами второй группы триггеров.