Проектирование информационно-аналитической подсистемы автоматизированных систем управления критического применения

Рассматривается организация вычислительного эксперимента для исследования критериев качества функционирования перспективной программной системы защиты информации (ППСЗИ) в автоматизированной системе (АС). Приводятся результаты анализа исследования критерия временной агрессивности функционирования ППСЗИ в АС

Опыт разработки и эксплуатации систем критического применения подтверждает тезис о том, что для их эффективного функционирования необходимо наличие развитой автоматизированной системы управления критического применения (АСК) с мощным информационным обеспечением. К системам критического применения можно отнести военные объекты, экологически опасные производства, атомные станции, объекты транспорта, связи, финансово-кредитной сферы и так далее.

В настоящее время функции, возлагаемые на информационное обеспечение АСК, ограничиваются поддержкой задач оперативного управления, учета, контроля и планирования. В этой связи структура баз данных (БД), являющихся основными компонентами информационного обеспечения АСК, оптимизируется на выполнение заранее предопределенных запросов. Из этого также следует, что БД АСК не предполагают учета динамики изменения состояния и структуры критических объектов как объектов управления. По этим причинам решение задач, связанных с анализом и прогнозированием поведения системы критического применения и ее элементов, в данный момент, не представляется возможным.

Таким образом, базы данных, использующиеся в настоящее время в АСК, не соответствуют требованиям, как по своей сущности, так и по необходимому уровню адекватности отображаемой информации реальным объектам. Это может стать существенной причиной недостоверного функционирования АСК в целом.

В то же время мировые тенденции развития информационных технологий показывают, что наибольшей эффективностью обладают те системы управления, в которых с высокой степенью автоматизированы не только задачи оперативного управления, но и задачи оперативной аналитической обработки данных. Для информационной поддержки последней была предложена и в настоящее время активно развивается концепция информационного хранилища (ИХ), заменяющая собой концепцию БД. Информационное хранилище обеспечивает решение нового и достаточно широкого класса задач интеллектуального анализа данных (ИАД), призванного существенно повысить качество принимаемых в системе управления решений.

Основными задачами ИАД являются краткосрочный и долгосрочный прогнозы развития ситуаций и комплексный системный анализ, включающий в себя обнаружение и идентификацию скрытых закономерностей, ранее неизвестных взаимосвязей, значимых факторов развития самого объекта и среды, визуализацию полученных результатов, подготовку предварительных прогнозов и проектов допустимых решений с оценками их достоверности и эффективности возможных реализаций.

Для ИАД необходимо не только хранение и использование данных, зафиксированных в определенный момент времени, но и анализ изменения этих данных за определенные интервалы времени. Данные, отображающие поведение объектов учета во времени, будем называть темпоральными.

Базы данных, обладающие возможностью отображения темпоральных данных и содержащие предысторию поведения объекта учета во времени, будем называть темпоральными базами данных (ТБД).

Анализ известных работ по созданию информационного обеспечения АСК, показывают, что вопросы проектирования темпоральных баз данных практически не затрагивались.

Вместе с тем возросшие информационно-аналитические потребности должностных лиц, высокая динамика изменения состояний объектов учета определяют необходимость проектирования темпоральных БД АСК.

Процесс проектирования ТБД АСК можно представить как итеративный процесс отображения ILM→LM→FM, где ILM - информационно-логическая модель ТБД, логическая модель LM, физическая модель FM.

ILM={Ob, Rec, S}_, Ob={Ob_i}, i=1,N - множество типовых объектов учета (ТОУ) предметной области (ПрО) АСК, Rec={Rec_j}, j=l,M - множество реквизитов, описывающих определенный объект учета, S={S_k}- множество связей между объектами учета, S_k={S¹_,S²}, S¹ - множество связей первого типа (структурных связей), S² - множество связей второго типа (ассоциативных связей), LM= {R_i}, где R_i =(К_i ,A_j) - схема i-ro отношения R_i, (i=l,X); где R-реляционное отношение, К- ключ, А- атрибуты.

При проектировании ТБД необходимо определить дополнительные (по сравнению с традиционным подходом) работы (этапы), направленные на отображение темпоральных данных в БД АСК. Для выяснения существа таких работ целесообразно рассмотреть все основные стадии проектирования БД. При таком подходе к проектированию ТБД должен быть полностью сохранен объем работ, выполняемых при традиционном проектировании БД.

Дополнительная часть работ связана с необходимостью отображения темпоральных данных и направлена на формирование логической структуры ТБД.

Для проектирования логической структуры ТБД требуется перейти от реляционной модели (М_бд^рел) к темпорально-реляционной модели (М_тбд^трм).

Так как М_бд^рел =< M_s^рел, M_m^рел, M_z^рел>, то следует сформировать отображения:

М_s^рел -»М_s^трм; М_m^рел -»М_m^трм; М_z^рел -»М_z^трм,

где М_s^трм={R^t}- структурная часть модели представления темпоральных данных; М_m^трм={Q^t_р}- манипуляционная часть модели представления темпоральных данных; М_z^трм={Р^t}- целостная часть модели представления темпоральных данных.

Структурная часть модели является основной, в ней определяется структура атомарного элемента модели представления данных R^t – темпорально-реляционного набора (ТРН), представляющего собой совокупность взаимосвязанных реляционных таблиц, описывающих статические и динамические атрибуты некоторого объекта реального мира.

Формальное представление атомарного элемента имеет следующий вид:

TS={TD, TF₁, TF₂, … TF_j},

где TD– реляционное отношение, описывающее статические атрибуты; Sch(TD)=<K, A₁…А_m> – схема отношения TD, K – его ключ, A₁…А_m – неключевые атрибуты; TF₁, TF₂, … TF_j, где j=1,2…n – реляционные отношения, описывающие динамику поведения n темпоральных атрибутов F_j; Sch(TF_j)=<K, T, F_j, > – схема отношения TF_j, K – его ключ, T – атрибут времени, F_j – темпоральный атрибут (группа атрибутов T и F_j, представляют собой временной ряд значений атрибута F_j). Необходимо заметить, что здесь T понимается как “время - момент”. Это означает, что T определяет момент времени, в который темпоральные атрибуты изменяют свои значения, Q^t_р - операции манипулирования темпорально-реляционными наборами, Р^t - правила обеспечения целостности данных в ТБД.

Манипуляционная часть модели представления темпоральных данных предназначена для обеспечения прозрачного манипулирования ТРН, осуществления возможности представления темпоральных данных временными рядами и обработки произвольного вида запросов, использующих динамические атрибуты в условиях поиска. Так как МПТД должна обеспечивать обработку ТРН в среде традиционных реляционных СУБД, то подход, применяемый к разработке манипуляционной части МПТД должен быть такой, что, для каждой операции манипулирования определяется совокупность элементарных операций реляционной алгебры над компонентами исходного ТРН, применение которых позволяет преобразовать исходный ТРН в результирующий набор (универсальное отношение). Универсальное отношение ТРН должно строится – путем соединения всех таблиц, входящих в ТРН, в одну большую таблицу. Механизм соединения таблиц ТРН требует их предварительной обработки, связанной с синхронизацией атрибута времени в каждой из таблиц {TF_j}.

Целостная часть модели включает совокупность правил (иначе называемых ограничениями целостности), обеспечивающих поддержание в непротиворечивом состоянии базовых элементов модели, которыми являются ТРН, и адекватность манипулирования ими при обработке запросов.

Как и при традиционном проектировании БД, выделим следующие этапы проектирования ТБД (исключая физическую реализацию):

1) анализ информационных потребностей ДЛ АСК;

2) инфологическое моделирование;

3) логическое проектирование.

На первом этапе создается концептуальная модель (КМ) ТБД. Создание КМ ТБД целесообразно проводить в следующей последовательности:

выделение типовых объектов учета (ТОУ) предметной области, реквизитов и связей между ТОУ;

анализ реквизитов и выделение среди них темпоральных данных, определение возможных групп синхронного изменения динамических реквизитов, а также динамических связей;

формирование фрагментов КМ, включающих несколько информационных объектов;

объединение фрагментов в единую КМ ТБД и уточнение состава и структуры информационных объектов, фрагментов и всей КМ ТБД в целом.

На втором этапе фрагмент КМ ТБД преобразуется в совокупность ТРН по специально разработанным правилам.

Последовательность действий на втором этапе имеет следующий вид:

выделение на КМ ТБД связей и установление значений их характеристик;

выбор правила преобразования фрагмента КМ ТБД, определяемого заданной связью (группой факторов);

формирование фрагмента логической структуры ТБД в терминах ТРН согласно выбранным правилам;

объединение полученных фрагментов логической структуры ТБД.

На третьем этапе формируется логическая структура ТБД в терминах реляционной модели. Данный этап предполагает следующую последовательность действий:

преобразование схем ТРН во фрагменты реляционной структуры ТБД;

объединение полученных фрагментов реляционной структуры ТБД.

Преобразование схем ТРН в исходные фрагменты реляционной структуры ТБД осуществляется в соответствии с положениями разработанной МПТД.

В результате выполнения последнего этапа проектирования формируется реляционная схема ТБД, полностью определяющая логическую структуру ТБД.

Таким образом, рассмотренные этапы проектирования ТБД являются необходимым инструментарием для реализации ТБД АСК в среде реляционных СУБД. Универсальность предложенного алгоритма проектирования предоставляет возможность разработчикам БД проектировать логическую структуру ТБД для любой системы критического применения.

Воронежский государственный технический университет

Воронежское военно-техническое училище ФСО России

УДК 681.3

Д.И. Мороз, А.К. Сенаторов

Эффективность записи видеоинформации

на дисковых носителях

В работе проведены сравнительный анализ характеристики DVD дисков и других носителей

Известно, что наиболее перспективным является запись видеоинформации на дисковых носителях: жесткие диски с различными формами записи информации (магнитный, оптический), гибкие магнитные диски /1/.

Рассмотрим ряд примеров данных носителей и проведем сравнительный анализ их эффективности.

Сейчас с полной уверенностью можно утверждать, что носители формата DVD стали индустриальным стандартом. На таких дисках выпускаются фильмы, такие диски в большинстве случаев наиболее удобны для архивирования данных. Однако даже емкости двуслойного (DL, Dual Layer) DVD носителя в некоторых случаях не достаточно, приходится искать другие решения.

Для того, чтобы говорить предметно, напомним, что современные DVD носители - DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW, DVD-RAM, позволяют хранить в общем случае порядка 4,7 Гб данных (DVD-5), двухслойные DVD носители – до 8,5 Гб (DVD-9). Существуют и другие возможности, например двусторонний однослойный формат DVD-10 (Double Sided, Single Layer) обеспечивает емкость до 9,4 Гб, а DVD-18 двусторонний двухслойный (Double Sided, Double Layer) емкость до 17 Гб, однако, всё это относится к "области промышленной записи".

Даже если оставить в стороне вопрос сохранения "любительских" архивов любимых музыкальных композиций, фильмов, пережатых в формат DiVX, фотографий или просто записей с ТВ-тюнера, перед индустрией встаёт другая важная задача – необходимость выпуска носителей с возможностью записи видео в формате высокой чёткости – HDTV. Нынешний стандарт DVD Video подразумевает, что при записи видео с растром 575 х 720 пикселей/50 кадров (PAL) или 480 х 720 пикселей/60 кадров (NTSC), при разрешающей способности кадра около 500 линий и горизонтальном разрешении 720 пикселей, с компрессией MPEG-2, получается поток данных со скоростью до 3 - 10 Мбит/с. С учётом множества дополнительных функций (цифрового многоканального звука, субтитрами, меню и так далее), этого достаточно для записи на обычный однослойный односторонний диск (DVD-5) видео длительностью чуть больше двух часов (до 133 минут). Однако при сжатии видео в HD формате 1080 с кодеком MPEG-2 поток будет обладать скоростью порядка 20 - 25 Мбит/с. Очевидно, что на обычный DVD диск много уже не запишешь, так как требуются более ёмкие носители, как для бывших задач так и для деловой сферы /2, 3/.

За основу технологической разработки был принят новый стандарт, предусматривающий считывание информации с помощью синего лазера. Для обычного CD-ROM применялся луч лазера с длиной волны 780 нанометров (нм) и, соответственно, емкость носителя информации составляла порядка 700 Мб.

Для технологии DVD стали применять лазер с более короткой длиной волны 650 нм или 635 нм, и это позволило увеличить емкость. В стандартном виде было достигнуто рекордное на то время значение в 4,38 Мб. Но это не стало пределом, так как практически сразу разработчики предложили новые технологии по удвоению плотности записи информации - появились двухслойные и двухсторонние диски.

Существенным отличием DVD от CD является возможность двухслойной записи дисков. На одном одностороннем диске (бывают и двухсторонние, с информационной поверхностью на каждой стороне) можно хранить в два раза больше информации. Оба слоя имеют отражающую поверхность и только один из них обладает высокой прозрачностью (до 40 %). При записи/чтении луч просто меняет фокусировку, что позволяет не попадать на оба слоя одновременно.

Более высокой емкости DVD-диски обязаны не только возможностью двухслойной записи дисков, но и большей плотностью записи информации. Более высокая плотности записи была достигнута за счет уменьшения расстояния между информационными дорожками на спирали. Это расстояние у CD-дисков составляет 1,6 мкм. У дисков DVD - 0,74 мкм.

Самые распространенные диски - DVD-5 и DVD-10. Остальные имеют меньшую популярность в силу большей стоимости и меньшей распространенности соответствующих производственных линий. Сегодня на прилавках магазинов не трудно найти любой тип дисков.

Фильмы на DVD-видео обладают следующими особенностями:

• На каждом диске с фильмом находится свое уникальное меню, в котором производятся настройки его просмотра;

• На диске может быть несколько звуковых дорожек с переводами на разные языки;

• Каждая звуковая дорожка может быть записана в качественных форматах с поддержкой Dolby Surround для многоканальных акустических систем;

• Субтитры на нескольких языках;

• Официально длина фильма ограничивается 135 минутами видео высокого качества. Но на самом деле все зависит от типа диска, его емкости и настроек алгоритма сжатия. Чем больше объем диска - тем более продолжительный фильм на него поместится;

• Меню на диске позволяет отключать/включать субтитры, выбирать язык воспроизведения и переходить к выбранному эпизоду фильма.

В технологии Blu-Ray используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку в два раза больше, чем у обычного DVD-диска до 0,32 микрон, и увеличить плотность записи данных. Уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи.

Помимо этого у BLU-Ray приводов увеличено значение числовой апертуры линзы (NA - Numeric Aperture) с 0,6 до 0,85. Новый формат обеспечивает рекордную скорость передачи данных 36 Mbps, при общей емкости диска 23.3GB/25GB/27GB. В данном случае мы говорим о дисках, имеющих геометрические размеры обычного CD (120 мм в диаметре). Но это далеко не все, на что рассчитывают разработчики Blu-Ray. Например, Philips выпустила 30-мм диски и привод к ним.

Емкость таких носителей информации составляет 1 Гб. Эта разработка предназначается для пользователей портативных устройств и мобильных телефонов. Но если мы сейчас говорим о Blu-Ray-диске (BD), то подразумеваем принятый стандарт - размеры как у CD (120 мм в диаметре), емкость - 27 Гб.

За счет чего достигается большая плотность записи? Увеличение числовой апертуры линзы с 0,6 до 0,85 позволяет увеличить плотность записи в два раза, а более короткая длина волны - в 2,6 раза. Умножая два коэффициента друг на друга мы получаем искомый результат - увеличение емкости по сравнению с DVD в пять раз.

Blu-Ray диски предназначены большей частью для записи цифрового видео. Так, например, их хватит для того, чтобы записать до 2 часов в формате HDTV (телевидения высокой четкости) со скоростью передачи данных более 24 Mbps или более 12 часов видео с 4 Mbps (SDTV/VHS). Ожидается, что с массовым приходом цифрового телевидения стандарт HDTV станет необходимым апгрейдом для тех, кто стремится к качеству. Устройства Blu-Ray позволяют производить качественную (самую качественную на сегодня) запись телепрограмм, фильмов, сигнала с цифровых камер и т.п.

В марте этого года был стандартизирован вариант Blu-Ray-дисков с емкостью 27 Гб (иногда он называется BD-27). На сегодня уже имеются двухслойные диски с удвоенным значением - 46,6/50/54 Гб соответственно. Сейчас выпуском именно дисков занимаются такие производители как Sony, JVC, TDK, Samsung. В скором будущем их станет намного больше.

Внешне диски DVD практически невозможно отличить от обычных CD. Они имеют одинаковые размеры и внешне очень похожи друг на друга. Однако прочесть диск DVD на обычном CD-приводе уже не удастся. Для этого понадобится привод с поддержкой DVD-формата, который, кстати, без проблем читает обычные компакт-диски.

Вся информация на DVD хранится в файловой системе MicroUDF (Micro Universal Disk Format). Ее официально утвердили в 2000 году. MicroUDB поддерживает носители большой емкости и файлы больших размеров. Имена файлов записываются в формате unicode, что обеспечивает совместимость DVD со всеми операционными системами для ПК, а также с разнообразной бытовой техникой.

В результате проведенного анализа можно сделать вывод о том, что наиболее перспективным в техническом и информационном аспектах является Blu-Ray и HD-DVD технологии. Несомненно, что в настоящее время, конечно же, популярны DVD диски из-за своей вместительности и качества записи, но уже в скором времени BD-диски оттеснят DVD. Необходимо будет записывать диски в формате высокой четкости HDTV (качество лучше).

Литература

1. http://www. compress.ru

2. http://www. astron.com.ua

3. http://www. portalus.ru

4. http://www.blu-ray.info

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

О.Ю. Макаров, И.В. Гузеев, М.Ю. Чепелев

Применение индуктивных элементов

в интегральном исполнении

Рассматриваются особенности использования трансформаторов и дросселей, выполненных в интегральном исполнении на основе многослойных печатных плат

Постоянное уменьшение габаритов изделий электроники, особенно мобильных устройств, приводит к тому, что разработчикам приходится применять компоненты с минимальными размерами. Для полупроводниковых компонентов, а также пассивных, таких как резисторы и конденсаторы, выбор достаточно велик и разнообразен. Однако до недавнего времени миниатюризация не касалась таких компонентов импульсных источников, как трансформаторы и дроссели. Они сохраняли свой классический вид моточных изделий с такими присущими им недостатками, как большие габариты, вес и низкая технологичность. Применение планарных трансформаторов на многослойных печатных платах позволяет снизить габариты и вес, улучшить их технологичность.

В настоящее время на рынке появилось много фирм, предлагающих трансформаторы, выполненные по планарной технологии на основе многослойных печатных плат.

Планарная технология изготовления магнитных компонентов имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной проволочной намоткой. Первым очевидным преимуществом является весьма малая высота, которая делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании с высокой плотностью монтажа.

Планарные трансформаторы и дроссели имеют и ряд других преимуществ при разработке и сборке по сравнению с аналогичными традиционными намоточными узлами: значительно меньшие габариты, компактная и жесткая конструкция, высокий коэффициент связи плотно расположенных обмоток, отсутствие отдельных обмоток и выводов, непосредственно при производстве отсутствует операция пайки и т.д. Повторяемость межвитковой емкости в интегральных компонентах позволяет скомпенсировать ее в соответствующей части цепи, а также использовать ее в резонансных конструкциях. В последнем случае можно целенаправленно создавать большую емкость, расположив дорожки соседних обмоток друг напротив друга.

Интегрированные планарные компоненты применяются в тех случаях, когда сложность окружающих цепей вынуждает использовать многослойную печатную плату. Типичные применения – маломощные преобразователи и устройства обработки сигналов.

Иногда может оказаться целесообразным применение гибридных компонентов, содержащих в своем составе как традиционно выполненные обмотки, так и в планарном исполнении. Например, преобразователь мощности может иметь первичную обмотку трансформатора и дроссель сетевого фильтра, встроенные в плату, а вторичную обмотку и дроссель – на других печатных платах.

Планарные магнитные компоненты хорошо подходят для разработки высокоэффективных импульсных преобразователей мощности. Малая величина потерь меди на переменном токе и высокий коэффициент связи обеспечивают более эффективное преобразование. Благодаря малой индуктивности рассеяния уменьшаются скачки и колебания напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов и дополнительным источником помех.

Хорошие тепловые характеристики обеспечивают весьма высокую плотность проходной мощности – в два раза большую, чем у обычных трансформаторов.

Тепловое сопротивление таких устройств значительно ниже по сравнению с обычными трансформаторами с проволочной намоткой при том же эффективном объеме сердечника. Это обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. Таким образом, имея повышенную охлаждающую способность, планарные трансформаторы способны справляться с большей плотностью проходной мощностью, удерживая при этом рост температуры в допустимых пределах.

Планарные трансформаторы могут выполняться как навесные компоненты, в виде сборки однослойных печатных плат или небольшой многослойной платы, либо встраиваться в многослойную печатную плату.

При планарной технологии изготовления индуктивных компонентов роль обмоток могут выполнять дорожки на печатной плате или участки меди, нанесенные печатным способом и разделенные слоями изоляционного материала, а, кроме того, обмотки могут конструироваться из многослойных печатных плат. Эти обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечниками.

Для противостояния высоким механическим перегрузкам сам трансформатор должен быть очень компактным и быть твердо присоединен к плате. Для укрепления ферритового сердечника к плате используется специальный силиконовый клей, так как при температуре 150 ºС надежны только силиконовые клеи. Две половины сердечника крепятся тем же способом. Для большей надежности добавляются две скобы, которые удерживают половинки сердечника. Возможный внешний вид планарного трансформатора с Ш-образным сердечником приведен на рисунке.

Внешний вид планарного трансформатора

При производстве планарных трансформаторов чаще всего используют медные дорожки толщиной 35, 70, 100 и 200 мкм. Если площадь поперечного сечения дорожки недостаточна для того, чтобы получить приемлемое сопротивление на постоянном токе, можно параллельно соединить дорожки для всех или части витков.

Потери меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше для плоских медных дорожек, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения.

При расположении обмоток одна над другой магнитная связь является очень сильной, и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100 %.

Трансформатор может монтироваться на плату посредством выводов, гарантирующих прочность конструкции, которую невозможно достичь при простом поверхностном монтаже. Это необходимо для устойчивости к механическим перегрузкам, действующим на относительно тяжелый трансформатор. Следующей проблемой является высокая температура, действию которой подвергается компонент. Она влияет не только на вид используемого клея, но также на выбор материала многослойной платы. Обычные FR4 платы не выдерживают температурных скачков, поэтому необходима альтернатива. Также как специальные механические требования, должны быть учтены и ограничения в стоимости.

Уменьшение размеров на сегодняшний день одна из важнейших причин, которая подталкивает на использование в производстве планарных индуктивных элементов, но другая причина, по которой выгодно использование планарных трансформаторов, это отличная повторяемость свойств, что наиболее важно при серийном производстве.

Как универсальные индуктивные ферритовые компоненты, планарные трансформаторы характеризуются низкой индуктивностью рассеивания, большим током и очень высоким КПД. Одним из первых их применений были импульсные источники питания для телекоммуникаций, где они доказали свои достоинства с 1994 г.

Литература

1. Использование планарных трансформаторов в импульсных источниках электропитания /Д. Жикленков, В. Макаров, Ю. Пилягина //ChipNews / Инженерная микроэлектроника: 2004. № 2. С. 13 – 14.

2. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат //Компоненты и технологии: 2003. № 6. С. 106 – 112.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

С.В. Чухлебов

К ВОПРОСУ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ

В СИСТЕМЕ ВЕСОВОГО ДОЗИРОВАНИЯ

АВТОМАТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Рассматривается вопрос обеспечения точности дозирования автоматических весовых комплексов

В системах весового дозирования автоматических комплексов, особенно при применении комбинационного весового дозирования, необходимо очень точно производить измерения веса. Это связано с тем, что при фасовке продуктов производителю желательно работать в отрицательном диапазоне поля допуска предусмотренного техническими условиями на выпускаемый продукт.

Для комбинационного дозирования для одного типа мелкогабаритного продукта обеспечить получение весовой комбинации тем легче, чем больше число ковшей дозатора (весовых головок дозатора), при уменьшении числа ковшей увеличивается вероятность остановки дозатора из-за невозможности получения комбинационной дозы из-за неудовлетворения требований закладываемых технологическим процессом фасовки.

В тоже время, при фасовке мелкогабаритных продуктов различных по весу (дискрете), условия дозирования легче для более легких (мелких) продуктов при общем номинале комбинационного веса и величине поля допуска установленного для него. Соответственно, для обеспечения выполнения одних и тех же технологических требований по фасовке для продукта с большей дискретой (вес единицы мелкогабаритного продукта) требуется комбинационный дозатор с большим количеством весовых головок.

Количественный показатель эффективности дозирования определяется технологической шириной поля допуска, которую обеспечивает комбинационный дозатор. Ширина технологического поля допуска определяется, количеством весовых головок, которые участвуют в процессе формирования комбинационной дозы, весом единицы продукта и точностью измерения, которую обеспечивают весовые головки.

При проектировании процесса комбинационного дозирования, общий технологический допуск фасовки (δ_ф) определяется формулой (1):

δ_ф= δ_кд+δ_и , (1)

где δ_кд - допуск на формирование комбинационной дозы; δ_и – допуск учитывающий погрешность измерения частичных весов; δ_ф – допуск на формирование комбинационной дозы – задается программно.

Погрешность измерения δ_и определяется используемой системой датчиков веса и системой обработки результатов показаний датчиков /3/.

δ_кд задается программно, но минимальная величина допуска ограничивается количеством технологических ручьев (количеством весовых головок в комбинационном дозаторе) его величиной дискретности фасуемого продукта. То есть δ_кд можно уменьшать только, закладывая в конструкцию дозатора большее число весовых головок, и чем больше дискретность продукта, тем количество весовых головок также должно быть больше. Необходимо учитывать, что время между технологическими остановками дозатора из-за невозможности формирования комбинационной дозы из-за отсутствия необходимого сочетания весов зависит от правильного программного выбора δ_кд.

При проектировании допуск δ_и должен учитывать погрешность измерения ( ) вносимую измерением тремя или четырьмя весовыми головками в зависимости из какого числа компонентов формируется комбинационная доза. То есть:

δ_и=N ∙ ,

где N – величина, соответствующая числу единичных доз, из которых комплектуется комбинационная доза;

– максимальная величина погрешности весовой головки.

Это связано с законом, определяющим суммирование погрешностей: при независимых измерениях и при наличии многих составляющих погрешности измерения для каждой весовой головки системы, что и имеет место в мультиголовочной системе весового дозирования.

Закон распределения вероятностей погрешностей отдельных весовых головок системы можно принять гаусовским (нормальным) и при этом общая погрешность дозы будет определяться формулой:

= , (2)

где N  число весовых головок,  погрешность измерения i-ой весовой головки; для оценки максимальной погрешности по вероятностному методу можно принять = , = - максимальная погрешность любой весовой головки, а - математическое ожидание погрешности одной весовой головки при коэффициенте доверия 0,9973 /1/.

Количество весовых головок, как показывает практика и, в частности, анализ аналогичного оборудования на рынке, находится в пределах 12...20. Это находится рядом с границей (величиной 15), для которой справедлива формула (2). Для N=12 =2  =10,4 /2/.

Из последнего видно, что погрешность измерения (математическое ожидание погрешности измерения) должно быть на порядок меньше составляющей общей погрешности дозирования, которая связана с погрешностями измерения весовых головок системы весового дозирования.

В системе весового дозирования имеется достаточно много факторов, влияющих на погрешности дозирования и измерения.

Для дозирования это такие факторы, как:

• закон распределения веса дозируемого продукта;

• номинальная величина (дискрета) компонентов дозируемого продукта;

• импульсного воздействия на систему измерения насыпки продукта при выгрузке;

• импульсного воздействия на систему измерения от устройств виброподачи;

• налипание продукта.

Закон распределения веса дозируемого компонента чаще всего нормален. Значение диапазона разброса весов (эффективная величина погрешности) при фасовке более крупных продуктов (увеличении дискреты компонентов) можно сохранить или уменьшить только при увеличении числа измерительных головок в весовом дозаторе.

Количество налипшего продукта в нижнем измерительном ковше при измерении пустого ковша и после выгрузки из ковша измеренной части дозы могут отличаться. Если подходить строго, то данные об истинном весе могут формироваться окончательно только после выгрузки всех участвовавших в измерении частей дозы и нового дополнительного измерения пустого ковша.

Поскольку это последнее корректирующее измерение для фиксации истинного дозированного веса, как того часто требуют стандарты на упаковку, например драгоценных металлов, лекарств и т.п., может использоваться в следующем измерении для оценки веса "пустого" ковша, производительность при таком способе измерения падать не будет.

Кроме этого, после выгрузки из нижнего измерительного ковша, истинный вес продукта может измениться при транспортировке продукта, что и следует учитывать при конструировании мультиголовочной системы весового дозирования.

Экономическим фактором, который требует уменьшения погрешности дозирования и соответственно, погрешности измерения отдельной весовой головки, является использование "отрицательного" допуска при дозировании на величину дозы. Здесь имеется ввиду, что дозирование производится с минимально допустимой по допуску величины дозы, для которой будут соблюдены условия, напечатанные на этикетке фасованного товара.

Влияющие факторы для измерения можно установить, анализируя последовательно весь тракт прохождения измерительного и опорного сигналов и последовательность обработки информации в алгоритме работы системы.

Важнейшими из этих факторов являются:

1. Отклонение нуля и полной шкалы из-за температурного и временного (при прогреве и при старении) дрейфа входного усилителя и АЦП и их старения; дрейфа и старения источника опорного напряжения.

2. Отклонения коэффициентов передачи делителя по опорному входу АЦП.

3. Случайная составляющая погрешности измерения, связанная с:

• вибрациями, передающимися от других машин и механизмов через станины и фундаменты;

• вибрациями от собственно установки дозирования;

• шумами усилителя датчика, источников опорных напряжений;

• квази-шумами АЦП (шумы, вызванные сочетанием входных шумов и дискредитацией сигнала с помощью АЦП, иначе шумы, не укладывающиеся в кривую гауссова распределения, но не низкочастотные шумы);

• низкочастотные шумы можно оценить как шумы АЦП и источников опорных напряжений, проявляющиеся выбросом результатов отдельного измерения за допустимые пределы при отсутствии всех прочих факторов;

• температурным дрейфом во время измерения;

• временной дрейф от момента квази-калибровки.

4. Погрешность, связанная с уходом характеристик датчика от момента полной калибровки во времени.

5. Систематическая погрешность, связанная с уходом температурных характеристик погрешностей датчика от прогнозируемых по их значениям, снятым при системной калибровке нуля и полной шкалы с датчиком может быть уменьшена измерением температуры дополнительным датчиком температуры, например калиброванной термопарой.

6. Погрешности обусловленные старением, дрейфом и нелинейностью датчика:

• погрешности, обусловленные нелинейностью датчика, могут быть частично учтены калибровочной кривой датчика, т.е. использованием не двух точек (нуля и полной шкалы), а репрезентативного набора точек. При полной системной калибровке погрешности могут быть практически полностью устранены с использованием соответствующей статистической обработкой основных или дополнительных измерений;

• погрешности могут быть также частично уменьшены за счёт увеличения объёма статистической обработки, но это требует увеличения времени измерений.

Для достижения высоких качественных результатов дозирования за счет рациональной работы электронного блока управления (высокая производительность и обеспечение фасовки в заданном весовом интервале) необходимо оценивать вклад всех составляющих вносимых в точность измерения и длительность выполнения обработки этих влияний, поскольку обработка входной информации при проведении измерения и принятия по ней решений (статистическая обработка) занимает существенное время, которое сказывается на производительности весодозирующего комплекса.

Литература

1. Мирский Г.Я. Электронные измерения. Изд. 4-ое, перераб. и доп. – М.: «Радио и связь», 1986. – 440 с.

2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. – М.: «Государственное издательство технико-теоретической литературы», 1953. – 608 с.

3. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. Изд. 2-ое, перераб. и доп. – М.: «Энергия», 1973. – 392 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

Е.А. Рогозин, О.Ю. Макаров, А.В. Тюхов, О.В. Ланкин

ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ НА ЭТАПЕ ИХ СЕРТИФИКАЦИИ

Рассматривается существующая нормативная база в области защиты информации применительно к оценке эффективности систем защиты информации на этапе их сертификации

В настоящее время набор механизмов защиты, который должен быть включен в комплекс средств защиты (КСЗ) информации, а также требования к этим механизмам сформулированы в соответствующих нормативных документах по проблеме ИБ в автоматизированных системах на качественном уровне. Степень абстракции представления данных требований, и возможность их неоднозначной интерпретации не позволяют в полной мере осуществить оценку эффективности средств защиты информации на этапе их сертификации.

Стандарты на методы испытаний являются обязательными, если в документации на средства защиты информации в части проверки технических характеристик, подлежащих сертификации, установлена ссылка на этот стандарт, а также должны быть установлены методы, условия, объем и порядок испытаний для определения показателей, характеристик и требований, проверяемых при сертификации.

Целью данной статьи является исследование формализованных требований и их уточнение применительно к процессу сертификации.

Ключевым аспектом решения проблемы безопасности информационных технологий (ИТ) является выработка системы требований, критериев и показателей для оценки уровня безопасности ИТ.

В соответствии с пунктом 3.6 Руководящего документа ФСТЭК России “Концепция защиты средств вычислительной техники и автоматизированных систем от несанкционированного доступа к информации” неотъемлемой частью работ по защите является оценка эффективности средств защиты, осуществляемая по методике, учитывающей всю совокупность технических характеристик оцениваемого объекта, включая технические решения и практическую реализацию средств защиты.

Принятие государственного стандарта РФ ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-1-2002 "Информационная технология. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки безопасности информационных технологий” является качественно новым этапом в развитии нормативной базы оценки безопасности ИТ.

Данный стандарт содержит общие критерии (ОК) оценки безопасности информационных технологий. Стандарт предназначен в качестве руководства при разработке и приобретении коммерческих продуктов или систем с функциями безопасности ИТ. Общие критерии применимы к мерам безопасности ИТ, реализуемым аппаратными, программно-аппаратными и программными средствами. ОК предоставляют потребителям, независимую от реализации структуру, называемую профилем защиты (ПЗ).

В отношении программных систем защиты информации (ПСЗИ) результаты анализа нормативной документации и литературных источников показывают, что в процессе сертификации должны решаться три основные задачи: исследования и контроль отсутствия недекларированных возможностей, проверка на соответствие реальных и декларируемых функций, проверка защитных функций ПСЗИ и оценка класса защищенности АС (СВТ) в соответствии с Руководящими документами ФСТЭК России.

В качестве показателей эффективности защиты информации используются качественные оценки соответствия требованиям заданного класса защищенности КСЗ типовой системы. В процессе испытаний, при необходимости, проводится декомпозиция показателей защищенности на элементы. По результатам всех этапов производится сопоставление фактических характеристик КСЗ системы требованиям определенного класса защищенности. В случае если на всех этапах оценки эффективности КСЗ проверка осуществилась успешно, делается вывод о соответствии системы с КСЗ от НСД требованиям данного класса защищенности.

Основным направлением совершенствования рассмотренного процесса сертификационных испытаний является применение методик получения количественных показателей, оценивающих степень выполнения функций, соответствия требованиям и правильности результатов исследований и тестов, а также исследования поведения СЗИ в динамике функционирования. Для решения этой проблемы необходимо разработать новую методологию сертификационных исследований на основе комплексной оценки эффективности СЗИ.

В настоящий момент находятся в разработке проекты руководящих документов, касающиеся принятия общей методологии оценки безопасности информационных технологий. Внедрение данного комплекса отечественных нормативных документов, гармонизированных с международными стандартами, позволит создать новое поколение отечественной нормативной базы, направленной, в том числе и на обеспечение аттестационного тестирования (испытания) и сертификации изделий информационных технологий по единой методике оценки безопасности информационных технологий.

Воронежский государственный технический университет

Воронежское военно-техническое училище ФСО России

УДК 681.3

И.В. Гузеев, М.Ю. Чепелев

Применение несвинцовых покрытий

контактных площадок печатных плат

Рассматриваются вопросы применения в качестве финишных покрытий контактных площадок печатных плат компонентов, не содержащих свинец

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники.

Для сохранения паяемости печатных плат после длительного хранения необходимо защищать медную поверхность контактных площадок паяемым поверхностным покрытием. Наиболее распространенным методом защиты паяемости печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем сплава олово-свинец (Sn-Pb). Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Платы, выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, требуют идеальной планарности контактных площадок печатных плат. Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Кроме того, 7 июня 2002 г. на совете министров Евросоюза в Люксембурге, были приняты директивы об отходах электрического и электронного оборудования и об ограничении использования некоторых опасных веществ. Согласно этим директивам, начиная с 1 июля 2006 г., все электронное оборудование должно производиться с соблюдением жестких экологических норм и не содержать таких химических элементов как свинец, ртуть, кадмий и других опасных для здоровья соединений.

Альтернативой для HASL-покрытий олово-свинец могут быть копланарные, экологически чистые покрытия: химический никель/иммерсионное золото (Ni/Au), химически чистое олово (Sn), органические защитные покрытия (OSP - organic solderability preservatives).

Технологии нанесения покрытий, использующие данные методы, гарантируют превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат. Ni/Au покрытие с тонким золотым слоем (0,1...0,15 мкм) обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства. Химическое олово Sn – экономичная, экологичная и недорогая технология. Органические покрытия теперь используются все больше и больше в производстве печатных плат. Процесс OSP - самый дешевый из технологий нанесения защитного слоя.

Кроме упомянутых достоинств органические покрытия обеспечивают одинаково хорошую паяемость как непосредственно после изготовления, так и после хранения. Кроме того, эти покрытия должны быть совместимы с припоями и флюсами, применяемыми в электронной промышленности.

Рассмотрим кратко основные характеристики предлагаемых материалов.

Для нанесения химического никеля на поверхность контактных площадок используется метод химического осаждения. Когда металл растворяется в металлизационной ванне, он несет электрический потенциал, обычно положительный. В процессе металлизации, потенциал нейтрализуется. Электроны в раствор поступают из специальных химикатов, находящихся в металлизационной ванне. При нанесении никеля, это обычно гипофосфат или диметиламинборан.

Получаемое никелевое покрытие является устойчивым при травлении меди в щелочном меднохлоридном растворе и после активирования обеспечивает качественное осаждение покрытия иммерсионного золота, химического палладия, иммерсионного серебра и др. Данное покрытие редко используется само по себе, в основном никель служит промежуточным слоем для осаждения других металлов.

Иммерсионное золото наносится после формирования рисунка топологии печатной платы (т.е. после осаждения меди, фотолитографии и травления). Покрытие может наноситься до или после нанесения паяльной маски.

В отличие от химического осаждения, при иммерсионном нанесении, электроны поступают из основного металла (меди). Таким образом, иммерсионный процесс является самоограничивающимся. Как только медь покрывается целиком, процесс останавливается.

Возможно нанесение иммерсионного золота, как по чистой меди, так и по подслою химического никеля. При этом золото обеспечивает превосходную паяемость, а никель служит барьером между медью и слоем золота, предотвращая окисление и увеличивая время хранения печатной платы.

Слой иммерсионного золота – ровный, компактный и мелкокристаллический. Он имеет хорошее сцепление с подслоем химического или электрохимического никеля и хорошо паяется с малоактивными флюсами. Эти характеристики особенно важны при сборке печатных плат.

Достоинства применения иммерсионного золота: плоская поверхность, равномерная толщина, выдерживает многократное термоциклирование, длительный срок хранения, хорошая паяемость, не влияет на размер отверстий, подходит для установки компонентов с малым шагом.

Недостатки: достаточно высокая стоимость, может содержать никель, который считается канцерогеном, не оптимально для плат с высокими скоростями сигналов, возможно появление дефектов типа «black pad».

Процесс нанесения иммерсионного олова, по большому счету, схож с процессом нанесения иммерсионного золота.

Достоинства применения иммерсионного олова: подходит для установки компонентов с малым шагом, плоская поверхность, не содержит никель, сравнительно недорогое покрытие, не влияет на размер отверстий, можно использовать те же паяльные пасты, что и для плат с покрытием HASL.

Недостатки: не выдерживает многократный монтаж/ демонтаж элементов, платы требуют осторожного обращения.

Процесс нанесения иммерсионного серебра тоже достаточно похож на процесс нанесения иммерсионного золота.

Его достоинства: подходит для установки компонентов с малым шагом, плоская поверхность, не содержит никель, дефекты типа «black pad» отсутствуют, не влияет на размер отверстий, длительный срок хранения, достаточно простой процесс нанесения, сравнительно недорогое покрытие, хорошо подходит для плат с высокими скоростями сигналов.

Недостатки: высокий коэффициент трения, не оптимально для монтажа элементов методом запрессовки (press fit), покрытие может тускнеть со временем.

Органические защитные покрытия обеспечивают очень плоскую поверхность и не приводят к возможности замыкания контактов элементов с большой степенью интеграции, при стоимости гораздо меньшей, чем покрытие никелем или золотом. Применение OSP позволяют в дальнейшем при пайке использовать флюсы, смываемые водой или безотмывные флюсы. К тому же этот процесс экологически более безопасен. Тесты показывают, что при нормальных условиях хранения, печатные платы, покрытые OSP, сохраняют паяемость более одного года.

К достоинствам органических покрытий можно отнести следующие: плоская поверхность, не влияет на размер отверстий, быстрый, достаточно не дорогой процесс нанесения, хорошая прочность паяных соединений (по некоторым данным лучше, чем для плат с покрытием HASL и иммерсионное золото).

Недостатки органических покрытий: после сборки могут оставаться места с открытой медью (например, тестовые точки), ограниченное термоциклирование, чувствительно к растворителям, которые применяются для удаления неправильно нанесенной паяльной пасты, при электротестировании платы, тестовые щупы прокалывают покрытие, что может привести к появлению участков открытой меди.

Еще одна из проблем при использовании безсвинцовой технологии заключается в том, что при использовании компонентов и припоев или паяльных паст, соответствующих данной технологии, необходимо существенно увеличить температуру (а зачастую и время) пайки (как пайки в печи, так и пайки волной). Это приводит к тому, что базовый материал испытывает «температурный стресс», который может привести к его повреждениям. Температура стеклования для стандартного FR-4 составляет 130 °C. Для обеспечения потребностей бессвинцовых технологий, эта температура должна быть повышена на 30° – 40 °C.

Для паяльной маски, теоретически, так же существует подобная проблема. Однако, к сожалению, в серийной промышленности пока не существует материалов для паяльных масок, полностью удовлетворяющих этим требованиям. В качестве «полумеры» во всем мире сейчас используют стандартные материалы, с некоторыми изменениями в процессе нанесения, что позволяет им выдерживать более высокие температуры.

Рядом зарубежных организаций проведены тесты и исследования предлагаемых покрытий. В результате тестирования и сравнительного анализа были получены следующие результаты.

Все исследованные покрытия печатных плат продемонстрировали уровень паяемости, требуемый в электронной промышленности в состоянии «как получено», так и после естественного и ускоренного «старения». Только покрытие OSP неустойчиво к долговременному высокотемпературному воздействию. Непосредственно после нанесения покрытия SN-Pb HASL, Sn и OSP имеют сравнимую паяемость, а Ni/Au характеризуется чуть меньшей паяемостью. Естественное и ускоренное «старение» снижает паяемость печатных плат, защищенных исследуемыми покрытиями, но не ниже требуемого уровня. Все исследованные технологии покрытия не снижают поверхностного сопротивления печатных плат. Прочность на срез паяных соединений более-менее одинакова для всех покрытий. Печатные платы со всеми представленными безсвинцовыми покрытиями – хорошая альтернатива печатным платам с обычными покрытиями.

Литература

1. Финишные покрытия контактных площадок печатных плат /А. Ефимов, Z. Morawska, G. Koziol //Компоненты и технологии: 2003. № 1.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3