Проблематика технического диагностирования
Техническое диагностирование радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) представляет собой сложную задачу по установлению связи между наблюдаемыми признаками неисправностей и их первопричинами. Этот процесс традиционно опирается на опыт и интуицию обслуживающего персонала и с трудом поддается автоматизации. Сложность заключается в неопределенной последовательности действий: измерение параметров, их сравнение с эталонными значениями, анализ совокупности данных и, наконец, формулировка диагноза. Все это делает процедуру трудоемкой и зависимой от человеческого фактора.
Диагностические модели и эволюция информационных источников
Результатом диагностирования является технический диагноз, для получения которого используются различные информационные источники, называемые диагностическими моделями. Форма представления информации в этих моделях может сильно различаться, что влияет на эффективность их применения. Исторически основным источником были бумажные руководства и документация, однако с ростом сложности аппаратуры работа с ними становится все более непрактичной из-за огромных объемов информации. Это порождает потребность в создании новых, более эффективных диагностических моделей, которые представляли бы собой цифровой образ аппаратуры, позволяющий быстро получать данные для постановки диагноза.
Роль САПР в создании документации и переход к электронным моделям
Разработка сложных технических систем неизбежно сопровождается созданием обширного комплекта конструкторской, эксплуатационной и технологической документации. Сегодня эта задача решается с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР), которые используются не только для проектирования, но и для моделирования, расчетов и анализа. Стандартизация процессов в САПР открывает возможность автоматической генерации информации из конструкторской документации для последующего использования, в том числе и в диагностических целях. В частности, создаются библиотеки стандартизированных компонентов, на основе которых проектировщик может строить схемы различного уровня иерархии — от отдельного элемента до целого блока.
Altium Designer как инструмент проектирования
В России и странах СНГ для проектирования радиоэлектронных систем широко применяется САПР Altium Designer. Его ключевыми преимуществами для разработки сложных промышленных образцов являются:
- Сквозное проектирование: Единый проект объединяет все документы и позволяет создавать сложные иерархические структуры (блок → субблок → модуль → ячейка → плата → компонент).
- Гибкая работа с библиотеками: Упрощенный процесс создания и управления библиотеками компонентов, включая возможность переноса проектов между разными САПР и работа с проектами сторонних разработчиков.
Учитывая эти возможности, становится очевидным, что бумажная документация для сложных комплексов морально устаревает, так как не позволяет в полной мере использовать преимущества цифрового представления диагностической информации.
Ограничения существующих решений и предложенный подход
Современные комплексы военного назначения часто поставляются с программно-аппаратными средствами для доступа к электронной документации. Такие системы могут автоматически предоставлять эталонные значения параметров и методики ремонта, повышая эффективность работы обслуживающего персонала. Однако они, как правило, не способны самостоятельно формировать технический диагноз с указанием вероятного места и причины неисправности. Кроме того, для их работы часто требуется создание отдельной, дополнительной модели аппаратуры, в то время как вся необходимая информация уже содержится в рабочей конструкторской документации (РКД), созданной в САПР.
В связи с этим предлагается принципиально новый подход: автоматизированное формирование технического диагноза на основе модельного представления аппаратуры и ее неисправностей, извлеченного непосредственно из электронных документов САПР Altium Designer.
Формирование концептуальной диагностической модели в Altium Designer
Исходным информационным ресурсом должна стать формализованная концептуальная диагностическая модель. Поскольку Altium Designer поддерживает создание иерархических проектов, логично разделять представление на уровне блока, ячейки и компонента. Схемный проект представляет собой набор листов разных уровней. Схемы блока и ячеек являются принципиальными, но на уровне блока внутреннее устройство ячеек не детализируется.
Для создания формализованной модели РЭА необходимо выполнить последовательность действий:
- Определить иерархические уровни, состав библиотек компонентов и набор необходимых свойств для каждого компонента.
- Создать библиотеку компонентов в Altium Designer.
- Заполнить свойства для каждого компонента и его контактов (выводов).
- Построить схему устройства, используя созданную библиотеку.
- Определить цепи прохождения сигналов и функциональные возможности аппаратуры.
Работа с библиотеками и компонентами
Создание библиотеки в Altium Designer — это ее наполнение компонентами, необходимыми для построения схем. Каждый компонент может иметь несколько представлений: условное графическое обозначение (УГО) для схемы, посадочное место для печатной платы, модель для симуляции. Минимально необходимым является наличие логического символа (УГО). Разработчик сам определяет структуру библиотеки, но каждый компонент должен иметь уникальное имя.
Чтобы избежать ошибок при построении схем и их последующем использовании в информационных системах, УГО следует создавать на основе графических примитивов, а свойства каждого контакта должны быть уникальными и соответствовать спецификации.
Компоненты могут быть как простыми, так и составными (многосекционными). Составные компоненты представляют собой единое целое, но их части могут быть разнесены по схеме для удобства чтения. Типичный пример — разъемы ввода/вывода.
Построение схем и заполнение свойств
Для построения схемы необходимо подключить созданную или стандартную библиотеку. Библиотека компонентов — это файл, содержащий набор элементов для проектирования. Помимо компонентов, для соединения элементов используются шины и линии. Свойства компонентов делятся на глобальные (свойства компонента в целом) и локальные (свойства каждого контакта). Заполнение этих свойств должно строго соответствовать данным из технических спецификаций, так как именно этот набор данных позволит однозначно идентифицировать компонент в диагностической системе. Важно отметить, что на этом этапе вводятся только номинальные значения, характеризующие исправное состояние аппаратуры.
Для придания схеме формализованного вида используются текстовые надписи и метки, однозначно определяющие контакты и функциональные блоки.
Программная реализация: система «Нимфея-1»
Для практической реализации подхода и сокращения времени восстановления РЭА было разработано специализированное программное средство — «Нимфея-1». Оно предназначено для определения вероятных мест и причин неисправностей. Для его работы используются программно-графические обучающие модели (ПГОМ), созданные на основе электронной документации и комплекта схем.
Разработчик, анализируя техническую документацию и типовые отказы, дополняет модель данными предметной области: задает номинальные (исправные) значения для контактов и элементов, а также возможные отклонения от нормы, характерные для неисправных состояний. Вся эта работа выполняется в интуитивном интерфейсе с помощью контекстного меню.
Функционал работы с цепями и запросами
В «Нимфея-1» можно создавать и редактировать цепи прохождения сигналов — последовательности соединенных контактов различных элементов. Для этого необходима информация о названии сигнала и свойствах контактов в каждой точке цепи, часть которой уже была заложена при работе в Altium Designer. Для проверки корректности введенных данных система позволяет просматривать цепи, формируя запрос на естественном языке.
Запросы формулируются как вопросы с использованием вопросительных слов и диагностических признаков — параметров, однозначно характеризующих неисправность. При недостатке данных система переходит в диалоговый режим, запрашивая уточнения. Ввод запроса возможен как с клавиатуры, так и голосом, что значительно ускоряет взаимодействие.
Разработчик определяет функции аппаратуры и параметры, их описывающие. Совокупность параметров задает функцию, а набор функций формирует так называемый «портрет неисправностей». Указывая в запросе диагностические признаки, пользователь позволяет системе идентифицировать характер и место неисправности в соответствии с этими портретами. Система поддерживает и составные запросы, включающие несколько признаков.
Заключение и практическая значимость
Традиционная документация на сложную аппаратуру, будь то бумажная или ее электронная копия, представляет собой огромный массив информации. Чем сложнее система, тем труднее и дольше в этом массиве найти нужные диагностические сведения. Время, затрачиваемое на поиск неисправности, критически важно: чем оно меньше, тем выше коэффициент технического использования оборудования. Поэтому применение таких решений, как «Нимфея-1», построенных на основе моделей САПР, является крайне целесообразным. Оно позволяет любому пользователю, независимо от уровня его подготовки, оперативно и точно определить причину и место отказа, кардинально повышая эффективность процесса восстановления работоспособности РЭА.