Отдел Информационно-вычислительного моделирования

Обеспечение повышения срока активного существования космических аппаратов до 15 лет и более требует совершенствования методологии и технологии наземных термовакуумных испытаний бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) негерметичных космических аппаратов (КА) в условиях имитации открытого космического пространства. Одной из ключевых проблем создания РЭА долгоресурсных космических аппаратов является проблема надежности работы устройства. Надежность работы требует тщательного контроля параметров РЭА и температурного режима радиоэлементов во всех режимах работы аппаратуры и условиях воздействия факторов космического пространства. Сложность такого контроля температурного режима РЭА обусловлена необходимостью измерения температур большого количества элементов в зависимости от времени и режима работы, необходимостью анализа результатов и прогнозирования надежности и ресурса.

Автоматическое определение расположения элементов на термограмме

Анализ результатов испытаний, сводится к поиску отклонений в значениях характеристик от некоторых нормальных значений (например, от расчетных), т.е. к поиску аномалий. Поиск аномалий широко применяется в задачах мониторинга состояния технических систем по показаниям датчиков. Если в работе системы возникает неисправность, в поступающих с датчиков данных возникают аномалии, сигнализирующие об отклонении поведения системы от нормального состояния.

Типичными задачами, решаемые системами мониторинга, являются: определение факта возникновения аномалии, локализация ее местонахождения, диагностирование возникшей неисправности и прогнозирование возникновения неисправностей. Общий принцип у традиционных алгоритмов примерно одинаков. На начальном этапе эксперты создают модель поведения системы. Модель представляет собой набор правил, характеризующих поведение системы. В процессе работы системы, поступающие телеметрические данные проверяются на соответствие модели. Если регистрируемые характеристики системы начинают отклоняться от модели, то оператору, контролирующему работу системы, поступает тревожный сигнал о возникновении аномалии, которая свидетельствует о возможной неисправности.

У всех традиционных алгоритмов есть общий недостаток – они требуют интенсивной работы экспертов. Эксперты задают набор правил, конструируют математическую модель, устанавливают допустимые пределы значений параметров. При усложнении системы возрастает количество данных, что приводит к резкому увеличению работы, которую необходимо выполнить экспертам прежде, чем система мониторинга сможет работать.

Повышение эффективности анализа результатов испытаний бортовой РЭА и автоматического выявления аномалий, указывающих на наличие дефектов, возможно с помощью использования методов интеллектуального анализа данных. Методы интеллектуального анализа позволяют устанавливать и отслеживать взаимосвязь между большим количеством параметров, дают возможность автоматически обрабатывать архивы накопленных данных и извлекать из них полезную информацию, позволяют учитывать новые данные о нормальном поведении системы и обновлять ранее построенную модель ее поведения.

В ИВМ СО РАН по заказу АО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнева» разработана система интеллектуального анализа данных для оценки теплофизических параметров бортовой аппаратуры. Система предназначена для использования в составе автоматизированного рабочего места имитации условий открытого космического пространства и проведения контроля и анализа теплофизических характеристик бортовой РЭА. Испытательное рабочее место представляет собой термовакуумную камеру с теплоотводящим основанием, которая оснащена средствами измерения температур, включая возможность тепловизионного контроля. Разрабатываемая система представляет собой комплекс программных средств, который обеспечивает накопление, обработку и анализ данных, получаемых в процессе испытаний бортовой РЭА. Работа с системой осуществляется на компьютере, подключенном к испытательному рабочему месту, который обеспечивает получение измеряемых характеристик через систему сбора данных.

Схема автоматизированного рабочего места испытаний бортовой РЭА

Задачей разработанной системы является автоматизация процесса оценки измеряемых характеристик бортовой РЭА с привлечением интеллектуальных алгоритмов анализа данных для выявления аномалий, указывающих на наличие дефектов в ходе испытаний бортовой РЭА. Решение данной задачи позволяет повысить эффективность выявления отклонений и неполадок в аппаратуре на ранней стадии и увеличить качество изделий, что в конечном итоге, увеличивает среднее время безотказной работы и напрямую влияет на долговечность и надежность работы КА.

Система реализована в виде трехзвенного приложения. Основным элементом системы является сервер, который предоставляет сетевой доступ к ресурсам системы и обеспечивает функционирование алгоритмов обработки и анализа данных. Для работы системы создано централизованное хранилище данных, обеспечивающее автоматизированное накопление, хранение и считывание результатов измерений, обработки и анализа характеристик РЭА. Работа с данными осуществляется через сервер, посредством специализированного сетевого программного интерфейса. Работа с системой пользователей осуществляется через клиентские программные приложения «Эксперт» и «Регистратор», которые позволяют настроить систему для проведения испытаний разных типов РЭА, провести измерения параметров для требуемых режимов и получить результаты анализа измеренных характеристик от системы.

Процесс проведения испытаний и анализа данных с помощью системы интеллектуального анализа представляется в виде двух этапов:

1. планирование и подготовка к испытаниям;
2. проведение измерений и анализ результатов.

Планирование и подготовка к испытаниям выполняется с помощью приложения «Эксперт» и представляет собой ввод информации в систему о типе бортовой РЭА; подготовка моделей, которые могут использоваться для анализа данных; выбор алгоритмов обработки и настройки схем анализа данных. Подготовка к испытаниям осуществляется экспертом в ходе разработки программных методик испытаний бортовой РЭА и определяет объем и содержание проводимых проверок. В системе интеллектуального анализа создаются сценарии анализа результатов измерений (сценарии АРИ), задаются виды измеряемых величин и настраиваются инструменты анализа, которые определяют виды и алгоритмы анализа, а также критерии оценки характеристик при испытаниях бортовой РЭА.

На этапе проведения испытаний работа с системой осуществляется через приложение «Регистратор», которое предполагает выполнение четких инструкций по работе с каждым экземпляром РЭА в соответствии с программной методикой. Пользователю требуется запустить указанный в программной методике сценарий АРИ, и обеспечивать получение системой результатов измерений характеристик РЭА для требуемых условий. Система автоматически проводит сохранение, обработку, анализ результатов измерений в соответствии с заранее заданными схемами анализа данных и выдачу результатов проверок в однозначном виде «да/нет» – результаты измерения удовлетворяют заданным требованиям или не удовлетворяют. По результатам анализа данных пользователь получает детальный отчет об обнаруженных отклонениях и нарушениях.

Для проведения анализа и оценки характеристик бортовой РЭА используются различные алгоритмы, реализованные в виде разных инструментов анализа: проверка значений характеристик на заданные вручную диапазоны, сравнение показаний с результатами вычислительного моделирования, автоматическое выявление отклонений в работе близких по характеристикам элементов, сравнение показаний с накопленными данными. В системе реализованы интеллектуальные методы, используемые при обработке и анализе данных. По мере проведения испытаний для разных экземпляров оборудования, получаемые данные накапливаются и сравниваются с поступающими в систему показаниями при очередном испытании. Система способна автоматически обеспечивать выявление аномальных отклонений значений температур, тепловых сопротивлений контактов или областей на тепловизионных снимках. При этом надежность выявления аномальных отклонений возрастает с ростом объема накопленных данных.

В ходе испытаний бортовой РЭА одним из важных этапов является тепловизионный контроль плат с радиоэлементами. При разработке системы был сделан особый акцент на автоматизированную обработку и анализ тепловизионных снимков при проведении испытаний. Термограммы позволяют получить распределение температуры на поверхностях плат, радиоэлементов и конструкций блоков, что дает большие возможности по контролю и выявлению отклонений. Анализ тепловизионных изображений позволяет проводить контроль тепловых режимов, выявлять отклонения в работе по аномалиям теплового поля и обнаруживать дефекты и неисправности.

В системе реализованы интеллектуальные алгоритмы автоматической «привязки» схемы расположения радиоэлементов к изображению термограммы. Были использованы математические методы машинного зрения, позволяющие определять контуры требуемых радиоэлементов и наиболее важных мест на термограмме. Это дает возможность без участия человека определять температуры элементов, областей на платах и конструкций блоков. Измеренные величины температур могут подвергаться автоматическим проверкам, которые отражают требования методик отработки блоков бортовой РЭА.

Разработанная система интеллектуального анализа данных позволила автоматизировать процесс проведения испытаний бортовой РЭА, обеспечила накопление результатов и проведение автоматизированного анализа данных с привлечением интеллектуальных алгоритмов по выявлению аномальных отклонений в характеристиках, указывающих на неисправности.