Иерархический подход к проектированию и организации средств диагностирования
Одна из основных проблем, с которой приходится сталкиваться разработчику современных систем, а значит, и разработчику СД, состоит в высокой размерности объекта, а в нашем случае в высокой размерности объекта диагностирования, т.е. в необозримости его описания. Противоречие между высокой сложностью системы, с одной стороны, и ограниченностью возможностей средств анализа и моделирования у ее проектировщиков, с другой, получило в литературе, название «проклятия размерности». Эту проблему можно обозначить как проблему главного конструктора системы, которому надо разработать систему в заданные и достаточно короткие сроки. Для этого он должен задачу проектирования разбить на обозримые подзадачи, которые можно было бы решать параллельно. Эти задачи поручаются различным исполнителям, и сроки проектирования существенно сокращаются.
На практике «проклятие размерности» преодолевается с помощью иерархического подхода. Причем так поступают как при проектировании самих систем, так и при проектировании для них средств диагностирования. Определяя иерархический подход при проектировании, например, вычислительных систем, обычно выделяют следующие уровни: электронных приборов, вентильный, регистровых передач, процессор – память – коммутатор. Эта шкала уровней порождает иерархию параллельно проектируемых конструктивных единиц: транзистор, интегральная схема, печатная плата, устройство. Аналогичные шкалы можно сформировать и для других классов систем, но суть от этого не меняется. Иерархический подход позволяет рационально организовать работу проектировщиков, занятых в разных уровнях. При этом проектировщик i -го уровня использует результаты (i-l)-ro уровня лишь в виде упрощенных описаний.
По существу тот же смысл имеет иерархический подход и в техническом диагностировании, который позволяет декомпозировать задачу диагностирования. При этом приведенная шкала уровней требует уточнения. Действительно, с одной стороны, на практике разработчик СД получает задание и отчитывается, как правило, на языке конструктивных единиц – СД модуля, СД прибора и т.п. В то же время, с другой стороны, приступая к исполнению задания, он, прежде всего, определится с математической моделью диагностируемого объекта, что обусловит в значительной степени и рассматриваемый далее класс отказов и используемый метод диагностирования. Кроме того, практически всегда очень важным оказывается следующий аспект. Является ли рассматриваемый объект функционально законченным или нет? Выделение для синтеза СД функционально законченных устройств позволяет находить наиболее рациональные решения. При этом может оказаться, что функционально законченное устройство выходит за рамки выделенной разработчику для проработки вопросов диагностирования конструктивной единицы. В этом случае мы получаем СД, охватывающие более одной конструктивной единицы. Так или иначе, для синтеза СД определяющим является используемая модель, а для иерархического подхода – шкала моделей. Однако при диагностировании удобно говорить не об одной шкале, а о трех шкалах: математических моделей компонент системы, классов отказов, методов диагностирования. Каждая шкала имеет несколько уровней. У всех шкал число уровней одинаковое. Чаще всего их четыре: безынерционные преобразователи, динамические устройства, мультирежимные системы, распределенные системы. В случае вычислительных систем эти уровни можно назвать: вентильный функциональный, алгоритмический, сетевой [18].
Осуществление иерархического подхода на практике, например, в отношении распределенной системы (РС) происходит следующем образом. Сначала на множестве компонент системы, куда входит и сама система, посредством шкалы математических моделей индуцируется шкала уровней сложности, содержащая, например, четыре уровня (рис. 4.16а). Представителями уровней сложности являются: безынерционный (комбинационный) преобразователь информации (БП); динамическое устройство (ИУ) (средства автоматики); мультирежимная система (мультирежимное средство автоматики, контроллер или ЭВМ), работающая по последовательному алгоритму; распределенная система, реализующая параллельный алгоритм. В результате с компонентой i-го уровня сопоставляется математическая модель i-го уровня, представляющая собой объединение подмоделей (i - 1)-го уровня. Класс моделей отказов, диагностируемых на i-ом уровне, определяется как нарушение информационных связей между подмоделями (i - 1)-го уровня. Класс отказов самого нижнего уровня – уровня безынерционных преобразователей – определяется, например, как константные нарушения связей между их элементами. Для каждого i-го уровня синтезируются уровневые СД (рис. 4.16б), ориентированные на выделенный уровневый класс отказов. При синтезе используется процедурная математическая модель i-го уровня, отражающая класс отказов. В результате с объектом диагностирования сопоставляются многоуровневые СД, в которых уровневые средства взаимно дополняют друг друга по диагностирующей способности.
Безусловно, описанный вариант подхода является идеализированным. В связи с этим его вряд ли можно представить реализованным на практике именно в таком виде. Его скорее следует рассматривать как некоторый предел, к которому можно стремиться. Обсудим возможные отклонения от идеального варианта.
Прежде всего, отметим, что идеализированный подход предполагает доступность входов и выходов объекта диагностирования на каждом уровне для организации процедур диагностирования. Так, например, если мы разрабатываем тестовые СД для некоторого динамического устройства, то мы должны иметь возможность независимо от состояния других устройств системы подавать на его входы необходимые тестовые сигналы и при этом анализировать выходы данного устройства. Это не всегда возможно обеспечить, а значит, устройство придется проверять в составе системы с учетом накладываемых ею ограничений (об этих проблемах мы поговорим позже в разделе 5). Чаще всего данная проблема возникает для безынерционных преобразователей, которые, как правило, диагностируются в составе соответствующих динамических устройств. Описанное выше, к сожалению, нельзя назвать безобидным явлением, поскольку оно может существенно увеличивать затраты на диагностирование, выражающиеся, например, в длине используемых тестов. Во избежание этого разработчик системы нередко идет даже на некоторое усложнение аппаратуры и, в частности, на расширение вектора наблюдаемых выходов.
Процедура проверки информационных связей может оказаться как достаточно сложной, как, например, при проверке системы обмена с централизованным управлением (подраздел 5.4), так и достаточно простой, когда она сводится к проверке линий связи (соединительных проводов). Попутно отметим неизбежную и неразрешимую неопределенность, возникающую при поиске отказов в проверяемых связях. Действительно, даже в случае полного успеха, когда диагностический эксперимент совершенно точно указывает на отказавшую связь, зачастую остается неясным, с каким конструктивным элементом этот отказ соотнести (выходные цепи передающего устройства, входные цепи принимающего устройства или непосредственно провода связи).