Моделі та методи забезпечення надійності бортових систем обробки інформації з використанням версійно-часової надмірності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК: 681.51 - 192: 681.3.06

Моделі та методи забезпечення надійності бортових систем обробки інформації з використанням версійно-часової надмірності

05.13.06 - інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Шуригін Олег Вікторович

Харків 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 20 ” червня 2008 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий “ 19 ” травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.О. Латкін

АНОТАЦІЯ

Шуригін О.В. Моделі і методи забезпечення надійності бортових систем обробки інформації з використанням версійно-часової надмірності.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2008.

Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню моделей, методів і інструментальних засобів оцінювання та забезпечення надійності багатоканальних структур СОІ з версійно-часовою надмірністю ПЗ. Новими науковими результатами є: 1) вперше отримано моделі відмов багатоканальних структур СОІ з версійно-часовою надмірністю, що відрізняються від відомих тим, що враховують вплив кратних і парних дефектів апаратних і програмних засобів на працездатність і дозволяють розрахувати показники контролю, діагностування, відмовостійкості; 2) удосконалено метод резервування СОІ з використанням структурної і версійно-часової надмірності, у частині процедур формування вихідної інформації на основі результатів від різних програмно-апаратних версій каналів при одно- і дворазовому прорахунку, що забезпечує підвищення стійкості систем до відмов і збоїв апаратних і програмних засобів; 3) набув подальшого розвитку метод оцінки й вибору багатоканальних структур з версійно-часовою надмірністю за рахунок введення метрик, що враховують різні типи дефектів програмно-апаратних засобів, і процедур формування пріоритетних рядів, що дозволяє підвищити точність оцінки й автоматизувати процеси прийняття рішень по вибору варіантів відмовостійких структур СОІ. Запропоновані моделі, методи та інформаційна технологія оцінки та вибору відмовостійких структур використано при розробці модулів обміну системи управління загальним обладнанням літака АН-70, обґрунтуванні ТЗ на СОІ РКК.

Ключові слова: резервовані структури, комбінована надмірність, детерміновані оцінки, дефектостійкість, кратні відмови, багатоверсійна система обробки інформації.

АННОТАЦИЯ

Шурыгин О.В. Модели и методы обеспечения надёжности бортовых систем обработки информации с использованием версионно-временной избыточности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2008.

Диссертация посвящена разработке и усовершенствованию моделей, методов и инструментальных средств оценки и обеспечения надежности многоканальных структур систем обработки информации (СОИ) с версионной избыточностью программных средств (ПС).

Проведенный анализ методов и средств повышения надежности СОИ показал, что одно из направлений их дальнейшего развития и совершенствования в рамках теории отказоустойчивых систем связано с комплексным использованием разных видов избыточности. Это особенно важно для бортовых СОИ к которым, с одной стороны, предъявляются высокие требования к отказоустойчивости, а с другой, - имеют место жесткие ограничения на массогабаритные характеристики (МГХ) оборудования и энергопотребление (ЭХ). Однако, в известных роботах вопросы анализа систем со структурной, временной и версионной избыточностью, их функционирование при одиночных и кратных отказах разных программных и аппаратных средств, разработки методов оценки и выбора отказоустойчивых структур с комбинированной избыточностью детально не исследовались.

В связи с этим в диссертации поставлена и решена актуальная научно-техническая задача разработки методов оценки и обеспечения надежности бортовых систем обработки информации на основе комплексного использования структурной, версионной и временной избыточности.

Научными результатами, полученными в диссертации, являются: 1) усовершенствованный метод резервирования СОИ с использованием структурной и версионно-временной избыточности, в части процедур формирования выходной информации на основе результатов функционирования разных программно-аппаратных версий каналов при одно- и двукратном прогоне, что обеспечивает повышение устойчивости систем к отказам и сбоям аппаратных и программных средств; 2) модели отказов многоканальных структур СОИ с версионно-временной избыточностью, отличающиеся от известных тем, что учитывают влияние кратных и парных дефектов аппаратных и программных средств на работоспособность и позволяют рассчитать показатели контроля, диагностирования и отказоустойчивости; 3) метод оценки и выбора многоканальных структур с версионно-временной избыточностью за счёт введения метрик, учитывающих различные типы дефектов программно-аппаратных средств, и процедур формирования приоритетных рядов, что позволяет повысить полноту оценки и автоматизировать процессы принятия решений по выбору вариантов отказоустойчивых структур СОИ. Предложенные методы и средства позволяют повысить отказоустойчивость СОИ за счет комплексного использования структурной, версионной и временной избыточности. при отказах аппаратных и программных средств, а также автоматизировать процессы принятия решений при разработке таких систем.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что они позволили разработать инженерные методики, алгоритмы, аппаратные и программные средства, которые образуют ядро прикладной информационной технологии поддержки принятия решений при обосновании требований анализа и выбора вариантов создания отказоустойчивой СОИ с комбинированной избыточностью. Использование этих методик и алгоритмов позволяет повысить надёжность СОИ и сократить время определения показателей надежности, контроля, диагностирования при разном количестве версий ПС.

Решение поставленных научных и прикладных задач позволило, в конечном счете, в 1,2 - 1,4 раза уменьшить вероятность отказов СОИ. Кроме того, предлагаемые методы реализованы при обосновании технических заданий на разработку бортовых СОИ ракетных и ракетно-космических комплексов и систем метрологического обеспечения.

Ключевые слова: резервированные структуры, комбинированная избыточность, детерминированные оценки, отказоустойчивость, кратные отказы, многоверсионная система обработки информации.

THE ABSTRACT

Schurygin O.V. Models and methods to ensure reliability of airborne information handling systems using version-time redundancy. - The manuscript.

The dissertation on competition of Cand.Tech.Sci. scientific degree on a specialty 05.13.06 - Information technologies. - National Aerospace University “Kharkіv Aviation Institute”, Kharkіv, 2008.

The dissertation is devoted to develop and improve the reliability assessment and maintenance models, methods and tools of information processing systems (IPS) multichannel structures with version software redundancy.

New scientific results are: 1) the failure models of IPS multichannel structures with version-time redundancy which differ from known subjects that they take into account the influence of hardware and software multiple and paired defects on working capacity and allow to calculate the parameters of control, diagnosing, failure-resistance (have been received for the first time); 2) the method of IPS reserving using structural and version-time redundancy, regarding input information forming procedures on the basis of results from different soft-hardware channels versions at one and double calculation that ensures raise of systems durability to hardware and software refusals and failures (has been improved); 3) the evaluation method and choice of multichannel structures with version-time redundancy at the expense of metrics initiating which take into account different types of soft-hardware defects and priority rows formation procedures that allows to increase accuracy assessment and to automate decision-making processes relative to choice of IPS failure-resistant structures alternatives (has been received the further development). Suggested models, methods and failure-safe structures choice information technology is used in control system exchange modules development of the .flying complexes/

Keywords: combined redundancy, determined ratings, fault-tolerance, multi-version information processing system, multiply failures.

відмовостійкість програмний літальний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Відмовостійкість систем обробки інформації (СОІ) забезпечується з використання різних видів надмірності: структурної, часової, функціональної, інформаційної, версійної. Пасивна відмовостійкість реалізується, насамперед, шляхом введення структурної надмірності. Активна відмовостійкість передбачає введення спеціальних засобів контролю та реконфігурації структури при відмовах і збоях. Комплексне використання різних видів надмірності, перш за все, структурної, часової та версійної, дозволяє розширити спектр можливих рішень. Це особливо важливо для бортових СОІ авіаційних і ракетно-космічних систем, для яких поряд з високими вимогами до надійності та вірогідності контролю функціонування властиві досить жорсткі обмеження на вагогабаритні (ВГХ) і енергетичні характеристики (ЕХ).

Бортові СОІ вирішують комплекс завдань навігації, стабілізації, моніторингу, забезпечення зв'язку і складаються з великої кількості програмно-апаратних компонент. Наявність систем контролю і реконфігурації в багатоканальних структурах СОІ ускладнює програмні засоби та збільшує часові витрати на вибір працездатної конфігурації. Крім того, використання структурної надмірності супроводжується зростанням складності апаратних засобів і отже збільшенням ВГХ і ЕХ, що критично для літальних апаратів. У той же час для підвищення надійності багатоканальних структур у СОІ можуть ефективно застосовуватися інші види надмірності - часова (для парирування збоїв), версійна (для парирування прояву дефектів проектування програмних засобів). Таким чином, виникає необхідність дослідження багатоканальних структур з комбінованою надмірністю без вбудованих засобів контролю, що використовують лише засоби порівняння роботи каналів.

Вибір резервованої структури при проектуванні бортових СОІ вимагає оцінки показників надійності. Однак для складних систем важко оцінити вплив програмних засобів, врахувати кратні відмови кількох апаратних або програмних компонент. Статистика аварій показує, що саме при кратних відмовах найбільш висока імовірність переходів системи у небезпечні стани. Тому виникає необхідність розробки моделей відмов резервованих структур з урахуванням виникнення кратних дефектів апаратно-програмних засобів та методів їх оцінки й вибору.

Класичні методи оцінки та забезпечення надійності, що базуються на структурній та часовій надмірності, досліджені в роботах фон-Неймана Дж., Половка А.М., Мура Е., Пірса Ч., Черкесова Г.М., Доманицького С.М. та інших. Методи забезпечення активної відмовостійкості розробили Авіженіс А., Андерсон Т., Романкевич О.М., Согомонян Є.С., Кулик А.С., Краснобаєв В.А., Шубинський І.Б. та ін. Крім того, ряд дисертаційних досліджень по розробці методів і засобів забезпечення відмовостійкості СОІ з використанням версійної надмірності виконані під керівництвом Харченка В.С. Однак, у цих роботах не досліджувалися питання комплексного використання структурної, часової та версійної надмірності, побудови та оцінка багатоверсійних систем при кратних відмовах, а також відмовах, що виникають при повторних обчисленнях (парних відмовах).

Таким чином, актуальною науково-технічною задачею є розробка методів оцінки й забезпечення надійності бортових систем обробки інформації на основі комплексного використання структурної, версійної і часової надмірності (СВЧН).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися у відповідності з:

- планами НДР Харківського військового університету: «Розробка методів оцінки й підвищення надійності, живучості й безвідмовності бортових управляючих обчислювальних систем космічних апаратів із тривалим часом активного функціонування й наземних автоматизованих комплексів управління», шифр «Обжиг» (УРВА ГШ МО України, інв. № 12233, 2001);

- планами НДР Національного аерокосмічного університету «ХАІ»: «Розробка науково-методичного забезпечення відмовостійкості цифрових систем контролю й управ ліня АЕС при використанні програмувальних ВІС», шифр «Надійність - Д» (Д2/2002, ДР№0104U003502, 2003); «Розробка науково-методичних основ та інформаційних технологій забезпечення відмовостійкості та безпеки комп'ютерних систем аерокосмічних комплексів» (№ Г503-42/2003, ДР№104U003502, 2003);

- Концепцією розвитку еталонної бази Збройних Сил України, НДДКР «Створення робочого еталона часу й частоти Збройних Сил України», шифр «Тополя» (Военстандарт, тема №0455а, 1998).

Роль автора в зазначених науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає у розробці методів підвищення надійності й вірогідності контролю функціонування на основі використання структурної, версійної та часової надмірності та створення інструментальних засобів оцінки і вибору відмовостійких структур СОІ.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності бортових систем обробки інформації на основі комплексного використання структурної, версійної і часової надмірності. Відповідно до мети досліджень і сформульованої науково-технічної задачі необхідно:

1) провести аналіз методів і інформаційних технологій оцінки й забезпечення відмовостійкості СОІ літальних апаратів;

2) розробити моделі відмов програмно-апаратних засобів багатоканальних структур (структурно-надмірних) СОІ з версійно-часовою надмірністю;

3) удосконалити метод підвищення надійності й вірогідності контролю функціонування бортових СОІ за рахунок комплексного використання структурної й версійно-часової надмірності;

4) розробити метод оцінки й вибору багатоканальних структур СОІ з версійно-часовою надмірністю, що враховує різні типи дефектів програмно-апаратних засобів;

5) розробити програмно-технічні рішення та елементи інформаційної технології підтримки вибору СОІ при використанні різних методик оцінки (імовірнісної, детермінованої і експертної);

6) впровадити запропоновані моделі, методи та інформаційну технологію при розробці відмовостійких бортових СОІ та інших систем з високими вимогами до надійності.

Об'єктом дослідження є процеси розробки й функціонування резервованих бортових систем обробки інформації.

Предметом дослідження є методи оцінки і забезпечення надійності бортових систем обробки інформації на основі комплексного використання структурної, версійної та часової надмірності.

Методи дослідження. При дослідженнях використовувались методи системного аналізу, теоретико-множинного та автоматного опису СОІ, теорії ймовірностей і математичної статистики, базові положення теорії надійності і технічної діагностики, а також методи експертних оцінок.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше одержано моделі відмов багатоканальних структур СОІ з версійно-часовою надмірністю, що відрізняються від відомих тим, що враховують вплив кратних і парних дефектів апаратних і програмних засобів на працездатність і дозволяють розрахувати показники контролю, діагностування та відмовостійкості.

2. Удосконалено метод резервування СОІ з використанням структурної та версійно-часової надмірності у частині процедур формування вихідної інформації на основі результатів від різних програмно-апаратних версій каналів при одно - і дворазовому прогонах, що забезпечує підвищення стійкості систем до відмов і збоїв апаратних і програмних засобів.

3. Дістало подальшого розвитку метод оцінки і вибору багатоканальних структур з версійно-часовою надмірністю за рахунок введення метрик, що враховують різні типи дефектів програмно-апаратних засобів, і процедур формування пріоритетних рядів, що дозволяє підвищити повноту оцінки й автоматизувати процеси прийняття рішень при виборі варіантів відмовостійких структур СОІ.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що основні положення дисертації реалізовані у вигляді моделей відмов багатоканальних структур СОІ, інженерних методів, алгоритмів оцінювання і забезпечення надійності, які є інструментарієм прикладної інформаційної технології підтримки прийняття рішень при обґрунтуванні вимог, аналізі і виборі варіантів створення високонадійних бортових СОІ.

Використання наукових і прикладних результатів дозволяє обґрунтовувати вимоги до їхніх технічних характеристик, підвищувати надійність і автоматизувати процес вибору резервованих структур СОІ.

Результати досліджень впроваджені в:

- науково-технічному спеціалізованому конструкторському бюро «Полісвіт» (акт реалізації від 6.04.2006 р.);

- навчальному процесі Харківського військового університету (акт реалізації від 7.06.2004 р.);

- закритому акціонерному товаристві “Радій” (акт реалізації від 8.10.2004 р.);

- Науковому метрологічному центрі військових еталонів (акт реалізації від 24.06.2003 р.).

Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

- задовільною збіжністю результатів імітаційного моделювання та оцінки показників надійності структур з комбінованою надмірністю та результатів, отриманих з використанням відомих і апробованих аналітичних залежностей;

- позитивними результатами практичного використання запропонованих методів при макетуванні і розробці засобів забезпечення відмовостійкості різних СОІ.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці нових моделей, методів і інструментальних засобів, що забезпечують рішення поставлених у дисертації задач. Всі основні результати отримано автором особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: метод комбінованого резервування СОІ з використанням структурно-версійно-часової надмірності [8,11]; кількісні оцінки показників надійності, контролю, діагностування дубльованих структур з версійно-часовою надмірністю [1]; експертна оцінка багатоканальних систем з часовою надмірністю з урахуванням ваг типів дефектів [7]; подійні моделі дубльованих систем з версійно-часової надмірністю при кратних і парних дефектах програмно-апаратних засобів [2]; оцінка повноти контролю багатоверсійних інформаційних систем при кратних дефектах [6,16,17]; аналіз впливу помилок контролю багатоканальних структур СОІ при різних типах дефектів [3,13].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися і були схвалені на наступних науково-технічних конференціях: на міжнародних науково-технічних конференціях «Гарантоздатні (надійні та безпечні) системи, сервіси й технології» - DESSERT-2006, DESSERT-2007 (м. Полтава, 2006 р.; м. Кіровоград, 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» (м. Харків, 2004 р.); на 1-му Міжнародному форумі «Прикладна радіоелектроніка стан і перспективи розвитку» (м. Харків, 2002 р.); на науково-технічних конференціях «Удосконалення систем і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки», (м. Харків, 1999-2005 р.); на науково-технічній конференції Харківського військового університету (м. Харків, 1999 р.); на 2-му молодіжному форумі «Радіоелектроніка й молодь у ХХІ столітті» (м. Харків,1998 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 17 друкованих працях, серед яких 5 статей в наукових журналах та 3 статті у збірниках наукових праць, що включені до переліку фахових видань ВАК України, а також 7 тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій. Крім того, отримані два авторські свідоцтва на винаходи на засоби формування інформації в СОІ.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації складає 182 сторінки, у тому числі: 65 рисунків, з яких 21 на 16 окремих сторінках, 43 таблиці, з яких 19 на 10 окремих сторінках, список з 130 використаних літературних джерел на 11 сторінках, 3 додатки на 9 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми й наукових задач; сформульована мета дисертаційної роботи; показані об'єкт, предмет, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів; відображені особистий внесок здобувача, дані про реалізацію, апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі розглянуто вимоги до надійності і достовірності контролю функціонування бортових СОІ. Наведено класифікацію видів несправностей, здатних викликати відмови СОІ. На основі аналізу статистики відмов СОІ і експертних висновків виділені дві основні групи видів несправностей: ДФ АЗ (фізичні дефекти апаратних засобів), ДП ПЗ (дефекти проектування ПЗ). Також виділено групу сумісних дефектів ДС (які обумовлені одночасно ДП ПЗ і ДФ АЗ).

Проаналізовано вимоги до надійності бортових систем обробки інформації. Аналіз відмов апаратно-програмних засобів (АПЗ), їхніх причин показав, що необхідна надійність може бути забезпечена у випадку застосування методів, що дозволяють парирувати різні типи відмов АПЗ, включаючи відмови, які викликані кратними дефектами. Для виявлення і парирування збоїв апаратних засобів бортових систем обробки інформації ефективним, за умови наявності запасів часу для певних типів інерційних об'єктів, є використання часової надмірності. Однак, цей вид надмірності не забезпечує виявлення і парирування стійких відмов апаратних засобів і відмов, які обумовлені дефектами програмних засобів. Встановлено, що використання тільки структурної надмірності не дозволяє в багатьох випадках забезпечувати виконання вимог з урахуванням обмежень на ВГХ і ЕХ. Структурна надмірність дозволяє виявляти і парирувати відмови апаратних засобів, однак, вона недостатньо ефективна для запобігання збоїв і практично не захищає систему від відмов і збоїв, обумовлених дефектами програмних засобів (табл.1). Крім того, при дублюванні або при адаптивному мажориторуванні необхідне введення складних засобів вбудованого контролю каналів, що далеко не завжди є простим та ефективним рішенням.

Таблиця 1 Аналіз видів надмірності

Вид надмірності	Переваги	Недоліки
Структурна (n - число каналів)	- виявляються й парируються збої й стійкі відмови (виявлення відмов без відновлення при n = 2; парирування при n = 3)	- при збоях швидко витрачається ресурс надмірності; - надмірність (n) пов'язана з погіршенням ВГХ і ЕХ; - ДП ПЗ не виявляються й не парируються, а тиражуються
Часова	- для реалізації не збільшуються ВГХ; - виявляються та парируються збої	- стійкі відмови не виявляються й не парируються; - ДП ПЗ не виявляються й не парируються; - для реалізації необхідно часовий резерв, що критично для систем реального часу
Версійна	- виявляються й парируються ДП ПЗ; - може бути реалізована спільно зі структурною надмірністю	- реалізується тільки з іншими видами надмірності; - усуваються тільки ДП ПЗ

Виходячи з аналізу відомих методів забезпечення відмовостійкості систем обробки інформації для бортових комплексів та інших критичних об'єктів обґрунтована необхідність використання комбінованої структурної, версійної і часової надмірності багатоканальних структур СОІ. Проаналізовано і обґрунтовано показники достовірності контролю функціонування (повноти контролю, глибини діагностування) і відмовостійкості СОІ, що базуються на подійному аналізі станів систем:

- повнота контролю:

(1)

- показники повноти контролю для апаратних и програмних засобів:

, , (2)

- показники глибини діагностування :

, ,, (3)

- показники відмовостійкості:

, , , (4)

де: - кількість подій елементів множин, які пов'язані з появою збоїв і відмов АЗ (проявом ДП ПЗ); - кількість подій, при яких відповідно виявляються, ідентифікуються і парируються відмови та збої АЗ (ПЗ).

Попередня оцінка надійності і достовірності контролю функціонування може бути здійснена за допомогою означених показників. Остаточна оцінка здійснюється імовірнісними і імовірно-статистичними методами. Комплексне використання різних підходів до моделювання і оцінки надійності може підвищіти точність вибору багатоканальних структур СОІ з версійно-часовою надмірністю. Сформульовано напрямки досліджень, що деталізують загальне завдання розробки методів і засобів оцінки забезпечення надійності і достовірності контролю функціонування СОІ при використанні структурно-версійно-часової надмірності, обґрунтовано методику їх проведення. У розділі також визначені вимоги до інформаційної технології підтримки прийняття рішень по забезпеченню заданих показників надійності СОІ. Сформульована загальна науково-технічна задача дисертації, яка декомпозується на ряд часткових задач, пов'язаних з розробкою методів оцінювання та забезпечення надійності СОІ. Основні результати розділу опубліковані у [1,3,9,11,12,13].

Другий розділ дисертації присвячений удосконаленню методу версійно-часового резервування для дубльованих і мажоритарних структур. Суть удосконалення полягає у: систематизації множини структур з комбінованою (структурною, часовою, версійною) надмірністю; розробці автоматної моделі системи зі структурно-версійно-часовою надмірністю і уточненні функцій переходів-виходів для різних структур; розробці процедур контролю та реконфігурації при одиночних збоях і відмовах, які обумовлені дефектами програмних і апаратних засобів, що базуються на парному порівнянні результатів при різних прогонах, каналах і версіях.

Повна множина дубльованих структур з комбінованою надмірністю наведена у таблиці 2. Схема контролю багатоканальної та багатоверсійної СОІ задається змінними: V1,2,3… - число версій виконання функцій; С1,2,3 - число каналів; Р0,1 - число повторів виконання функцій; =udu=1 - множина алгоритмів контролю, діагностування і реконфігурації (рис.1).

Таблиця 2 Основні варіанти дубльованих структур

	Варіанти структур
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
V11	A	А	А	А	А	А	Б	А	А
V12	A	Б	А	Б	В	В	Б	Б	В
V21	A	А	Б	Б	А	Б	А	В	Б
V22	A	Б	Б	А	Б	В	В	А	Г

Рис. 1 Схема контролю СОІ на основі дубльованої структури з повторним розрахунком результату

Результати контролю, в загальному випадку, задаються бульовим вектором:

. (5)

Якщо W1=1, результати виконання версій V11 и V21 співпадають, то значення W2, W3, W4, W5, W6 не формуються. Графічна інтерпретація моделей здійснена на прикладі двох- і тьохканальних систем з використанням діаграм Ейлера-Вєна (рис. 2,3). При цьому враховані такі важливі для багатоверсійних систем типи дефектів, як відносні, групові і абсолютні.

Досліджені властивості розроблених дубльованих структур з версійно-часовою надмірністю, які представлені у вигляді діаграм на рис.4 - 7. По вісях абсцис надано умовні позначки структур, наведених у таблиці 2, де перший рядок відповідає версіям, що виконуються у першому та другому каналах при першому прогоні, а другий - при другому. На рис. 5 - 7 для кожної з структур розраховані показники для СОI (l, q, d) та її апаратних (lА, qА, dА) і програмних (lП, qП, dП) засобів.

В результаті аналізу властивостей дубльованих мажорітарних структур встановлено, структури з паралельно-послідовним виконанням версій мають розширений діапазон властивостей: можливість діагностування і стійкості до фізичних дефектів АЗ та прояву дефектів ДП; різні версії в одному каналі збільшують стійкість до відмов відносно структур із таким же числом версій, розміщених у різних каналах (при повторному розрахунку результату) та інш.

Рис. 2 Графічна інтерпретація моделей для апаратних засобів дубльованих і мажоритарних структур



Рис. 3 Графічна інтерпретація моделей для програмних засобів (чотири версії ПЗ)

Рис. 4 Діаграма кількості можливих одиночних відмов в дубльованих структурах

Рис. 6 Діаграма показників рівня діагностування дубльованих структур

Рис. 5. Діаграма показників повноти контролю дубльованих структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Діаграма показників відмовостійкості дубльованих структур

Якщо події можуть мати різну вагу (імовірність), властивості контролепридатності поліпшуються. Це обумовлено тим, що зі збільшенням числа версій зростає кількість дефектів, які можуть проявлятися внаслідок ДП; крім того у двохверсійних, трьохверсійних і чотирьохверсійних структурах можуть ідентифікуватися деякі дефекти ПЗ навіть при відмові АЗ.

Порівняльний аналіз результатів оцінки структур з комбінованою надмірністю, проведений у даному розділі з використанням детермінованих та імовірнісних показників контролю, відмовостійкості, діагностування і результатів отриманих, показав, що якісні висновки збігаються. Це з одного боку, підтверджує об'єктивність отриманих результатів, а з іншого, вказує на можливість і доцільність використання детермінованих оцінок для вибору структур. Основні результати розділу опубліковані у [8,10,14].

У третьому розділі розширено і деталізовано класифікацію дефектів структур СОІ з комбінованою надмірністю, яка враховує їхню специфіку, за рахунок розгляду кратних (що одночасно з'являються) і парних (що з'являються в різних прогонах) дефектів. Визначено поняття зв'язаних і незв'язаних дефектів апаратних і програмних засобів. Побудовано моделі відмов двох- і трьохканальних структур з структурно-версійно-часовою надмірністю при кратних і парних дефектах (рис.8,9 надають загальний випадок). Для побудованих моделей відмов більше темним кольором позначено множина ПЗ. Крапками на множинах АЗ і ПЗ позначені можливі одиночні відмови. Безперервними лініями між крапками на множині АЗ показані незв'язані кратні й парні відмови. Лініями між темними крапками на множині ПЗ показані незв'язані кратні й парні відмови, а пунктирними лініями між темними крапками на множені АЗ і ПЗ показані зв'язані кратні й парні відмови. Буквами А, Б, В, Г, Д позначені різні версії ПЗ. На основі розширеної класифікації дефектів розроблено і досліджено моделі відмов структур з комбінованою надмірністю при кратних і парних дефектах АПЗ. На базі розроблених моделей розраховані часткові показники відмовостійкості, контролю і діагностування наведені у таблиці 3.

У таблиці 3 зазначені часткові показники контролю , діагностування і відмовостійкості . Верхній індекс вказує на приналежність показника розрахованого відповідно до: апаратних А, програмних П або зв'язаних апаратних і програмних А,П дефектів. Нижній індекс вказує, до яких дефектів (кратних або парних) має відношення показник.

Таблиця 3 Часткові показники контролю, діагностування, відмовостійкості

часткові детерм. показки	Варіанти структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

lкр.А	1	1	1	1
lпар.А	1	1	1	1
lкр.А,П	1	1	1	1
lпар.А,П	1	1	1	1
lкр.П	1	1	1	1
lпар.П	0	1	1	1
qкр.А	0,125	0	0	0
qпар.А	0	0	0	0
qкр.А,П	0	0	0	0
qпар.А,П	0	0	0	0
qкр.П	-	0	0	0
qпар.П	0	0	0	0
dкр.А	0,125	1	1	1
dпар.А	1	1	0,5	0,5
dкр.А,П	0	0,66	0,66	0,142
dпар.А,П	0	0,5	0,36	0,2
dкр.П	-	0,25	0,5	0,07
dпар.П	0	0,66	0,06	0

Досліджено властивості зазначених структуру і встановлено, що: існує можливість забезпечення правильного функціонування СВЧН при прояві кратних і парних дефектів, коли збої АЗ відбуваються в тих версіях ПЗ, де проявляються ДП; у дубльованих структурах можуть при одному повторі парируватися кратні дефекти, що проявляються при першому і другому виконанні, а саме: збої двох апаратних компонентів, збій АЗ і відносний ДП програмних компонентів; багатоверсійна трьохканальна мажоритарна структура з повторним розрахунком результату має найкращі характеристики контролепридатності й відмовостійкості до одиночних, кратних, парних відмов.

Розроблено алгоритми аналізу двох - і трьохканальних структур з версійно-часовою надмірністю з використанням дерев відмов, які дозволяють доповнити методичний апарат дослідження таких типів СОІ. Отримані моделі і метод оцінки, результати їхніх досліджень дозволяють перейти до розробки інформаційної технології підтримки прийняття рішень при створенні відмовостійких СОІ. Основні результати розділу опубліковані у [2, 6].

У четвертому розділі обґрунтовано і розроблено методику аналізу і вибору відмовостійких структур СОІ на основі експертних та імовірносно-статистичних методів оцінювання. Імовірносно-статистичний метод оцінювання реалізовано імітаційною моделлю (ІМ), що базується на методі Монте-Карло і дозволяє дослідити процеси функціонування СОІ в умовах відмов апаратно-програмних засобів. Для визначення кількості дослідів використовується послідовний метод уточнення оцінки показника надійності з визначенням похибки за квантилем розподілу Стьюдента. У результаті порівняльного аналізу виявлено задовільну збіжність (4-5%) оцінок надійності структур СОІ, отриманих при аналітичному та імітаційному моделюванні. Отримані в результаті аналізу ІМ оцінки у вигляді сформованих пріоритетних рядів дубльованих структур з версійно-часовою надмірністю (ДСВЧН) (табл.4,5) лягли в основу розробки алгоритму вибору відмовостійких структур СОІ (рис.10). Оцінка показників надійності контролю і діагностування з використанням експертного методу базується на подійному підході і метричній оцінці, при якій експерти визначають вагові

Таблиця 4 Результати оцінки дубльованих структур з комбінованою надмірністю (імовірносно-статистичний метод)

Начальні умови	Інтервали ІБР	Приорітетні ряди ДСВЧН
		D2V1	D2V2	D2V3	D2V4
Рср=1.0	P = 0.916…0.956	4	3	2	1
	P = 0.956…0.974	3	2	2	1
	P = 0.974…0,997	3	2	1	1
	P = 0.997…1	2	1	1	1
	рейтинг	3	2	1.5	1

Таблиця 5 Результати оцінки дубльованих структур з комбінованою надмірністю (експертний метод)

Начальні умови	Інтервали d-стійкості	Приорітетні ряди ДСВЧН
		D2V1	D2V2	D2V3	D2V4
dср=1.0 (дефектостійкість засобів порівняння )	d = 0.51…0.65	1	1	1	1
	d = 0.65…0.71	1	1	1	1
	d = 0.71…0,8	2	1	1	1
	d = 0.8…0.82	2	1	1	1
	d = 0.82…0.86	2	1	1	1
	d = 0.86…0.88	3	1	1	2
	d = 0.88…0.9	3	1	1	2
	рейтинг	2	1	1	1.29

коефіцієнти тих або інших подій, пов'язаних з відмовами або збоями компонент відмовостійких структур. Експертна оцінка дозволяє уточнити значення показників, що обчислюються, оскільки враховує частоту виникнення відповідних подій.

Результати імітаційного моделювання виявили найкращі варіанти багатоверсійних дубльованих (D2V1 - D2V4) мажоритарно-резервованих (М2V1 - М2V6) структур.

Залежно від сформульованих вимог у технічному завданні (ТЗ) для проведення дослідження одно -, двох - і трьохканальних багатоверсійних систем з часовою надмірністю доцільно використовувати детерміновані, експертні, або імовірносно-статистичні методи оцінювання. При їхній комбінації (основний та диверсний методи) підвищується (досягається необхідна) вірогідність оцінок надійності таких систем.

Розроблено структуру інформаційної технології підтримки прийняття рішень щодо забезпечення заданих показників надійності структур СОІ, елементами якої є: комплекс моделей відмов дубльованих структур і мажоритарно-резервованих структур; методи оцінки при виборі моделі надійності;імітаційну модель; методики і алгоритми вибору відмовостійких структур СОІ. Вона дозволила автоматизувати процес забезпечення заданих показників надійності структур СОІ з комбінованою надмірністю. Структурне представлення інформаційної технології забезпечення надійності СОІ у вигляді взаємопов`язаних інформаційних потоків, процесів та засобів їх обробки представлено на рис. 11.

Рис. 10 Загальна послідовність вибору відмовостійких структур СОІ

Результати практичного використання отриманих наукових виводів і положень використано при розробці модулів обміну системи управління загальним обладнанням літака (СУЗОЛ) АН-70 та управління інтегрованою системою протиобмерзання. Використання дубльованих структур з версійно-часовим резервуванням забезпечують зменшення імовірності відмов у 1,2 - 1,4 рази. Крім того, запропоновані методи реалізовані при обгрунтувані ТЗ на розробку бортових СОІ РКК та систем метрологічного забезпечення. Основні результати розділу опубліковані у [4,5,7,15,16,17].

У додатках наведено опис імітаційних моделей дубльованих і мажоритарно-резервованих структур з версійно-часовою надмірністю, значення квантилей розподілу Стьюдента, деякі алгоритми та схемотехнічні рішення, а також акти впровадження результатів дисертаційного дослідження.

Рис. 11 Структурна схема інформаційної технології підтримки прийняття рішення по забезпеченню заданих показників надійності структур СОІ з версійною надмірністю ПЗ

ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз методів і засобів підвищення надійності СОІ показав, що один з напрямків їхнього подальшого розвитку і удосконалювання в рамках теорії відмовостійких систем пов'язаний з комплексним використанням різних видів надмірності. Це особливо важливо для бортових систем обробки інформації, до яких, з одного боку, пред'являються високі вимоги до відмовостійкості, а з іншого, мають місце жорсткі обмеження на обсяг устаткування і енергоспоживання. Однак, у відомих роботах питання аналізу систем зі структурною, часовою і версійною надмірністю, їхнього функціонування при одиночних і кратних відмовах різних програмних і апаратних засобів, розробки методів оцінки і вибору відмовостійких структур з комбінованою надмірністю детально не досліджувалися.

У зв'язку з цим у дисертації поставлена і вирішена актуальна науково-технічна задача розробки методів оцінки й забезпечення надійності бортових систем обробки інформації на основі комплексного використання структурної, версійної і часової надмірності.

2. Вперше одержано моделі відмов багатоканальних структур СОІ з версійно-часової надмірністю, що відрізняються від відомих тим, що враховують вплив кратних і парних дефектів апаратних і програмних засобів на працездатність і дозволяють розрахувати показники контролю, діагностування, відмовостійкості.

3. Удосконалено метод резервування СОІ з використанням структурної та версійно-часової надмірності у частині процедур формування вихідної інформації на основі результатів від різних програмно-апаратних версій каналів при одно - і дворазовому прогонах, що забезпечує підвищення стійкості систем до відмов і збоїв апаратних і програмних засобів.

4. Дістало подальшого розвитку метод оцінки і вибору багатоканальних структур з версійно-часовою надмірністю за рахунок введення метрик, що враховують різні типи дефектів програмно-апаратних засобів, і процедур формування пріоритетних рядів, що дозволяє підвищити повноту оцінки й автоматизувати процеси прийняття рішень при виборі варіантів відмовостійких структур СОІ.

5. Отримані наукові результати розвивають елементи теорії відмовостійких систем обробки інформації в частині моделей відмов і методів оцінки й підвищення надійності таких систем при комплексному використанні структурної, часової та версійної надмірності.

6. Практичне значення наукових результатів полягає в тому, що вони дозволили розробити інженерні методики, алгоритми, апаратні і програмні засоби, що утворюють ядро прикладної інформаційної технології підтримки прийняття рішень при обґрунтуванні вимог, аналізі і виборі варіантів створення відмовостійких СОІ з комбінованою надмірністю. Використання цих методик, алгоритмів в інформаційних технологіях підтримки прийняття рішень щодо забезпечення заданих показників надійності дозволяє скоротити час визначення показників надійності, контролю, діагностування при різній кількості версій ПЗ СОІ.

7. Результати досліджень впроваджені в НТ СКБ «Полісвіт» (при розробці моделей резервованих структур модулів обміну СУЗОЛ літака АН-70 і визначенні вимог до технічних характеристик таких систем), в Науковому центрі Харківського військового університету (при виконанні науково-дослідних робіт проектів нормативних документів, які визначають вимоги до надійності й живучості СОІ ракетних комплексів), ЗАТ “Радій” (при виконанні дослідницько-конструкторських робіт по розробці інструментальних засобів оцінки надійності при виборі варіантів реалізації ІУС АЕС), в Науковому метрологічному центрі військових еталонів (при виконанні дослідницько-конструкторських робіт з надійного зберігання, передачі й відтворення розміру фізичної величини вторинними груповими еталонами часу й частоти) та в навчальному процесі.

8. Подальші дослідження доцільно спрямувати на удосконалення методів розробки та відбору версій, співставлення теоретичних оцінок і результатів експлуатації СОІ з комбінованою надмірністю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Харченко В.С. Детерминированная оценка показателей отказоустойчивости дублированных структур с временной и версионной избыточностью / В.С. Харченко, О.В. Шурыгин // Електронне моделювання. - 2000. - №3. - С.41-52.

2. Харченко В.С. Событийные модели дублированных систем с версионно-временной избыточностью при кратных и парных дефектах программно-аппаратных средств / В.С. Харченко, О.В. Шурыгин // Радіоелектроніка і інформатика. - 2003. - №1 (22). - С.65-69.

3. Харченко В.С., Анализ влияния ошибок контроля на безопасность резервированных систем управления критическими объектами / В.С. Харченко, В.И. Токарев, О.В. Шурыгин // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2003. - №5 - С.41-43.

4. Шурыгин О.В. Выбор отказоустойчивых структур с время-версионной избыточностью / О.В. Шурыгин // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - № 6 (18)- С.44 - 48.

5. Шурыгин О.В. Использование экспертных и вероятностных методов оценки при выборе отказоустойчивых структур / О.В. Шурыгин // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2007. - № 6 (25).- С. 68 - 71.

6. Харченко В.С. Оценка полноты контроля многоверсионных информационных систем при кратных дефектах / В.С. Харченко, О.В. Шурыгин // Системи обробки інформації. - Харків: Харківський військовий університет, 2000. - Вип. 1(7). - С. 6-9.

7. Харченко В.С. Экспертная оценка многоверсионных систем с временной избыточностью с учётом весов типов дефектов / В.С. Харченко, О.В. Шурыгин // Системи обробки інформації. - Харків: Харківський військовий університет, 2000. - Вип. 2(8) - С. 3-8.

8. Тарасенко В.В. Методы комбинированного резервирования в интегрированной противообледенительной системе самолёта / В.В. Тарасенко, О.В. Шурыгин // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. - Харків: ХУПС, 2006. - Вип. 1(7). - С.35-38.

9. Шурыгин О.В. Направления обеспечения устойчивости систем управления летательных комплексов к дефектам аппаратных и программных средств/ О.В. Шурыгин // Молодежь и радиоэлектроника в 21 веке: материалы 2-го молодежного форума, 22-24 апреля 1998 г.-Харьков, 1998._ С.38.

10. Шурыгин О.В. Оценка достоверности и надёжности бортових и наземных систем с комбинированной избыточностью с использованием детерминированных показателей / О.В. Шурыгин // Матеріали науково-технічної конференції Харківського військового університету, 10-11 листопада 1999 р. - Харків,1999. _ Вип. 3. - С.42.

11. Харченко В.С. Методы обеспечения устойчивости информационно-измерительных систем к дефектам аппаратных и программных средств / В.С. Харченко О.В. Шурыгин // Удосконалення системи і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки: тези доповідей 2-ї науково-технічної конференції, 23-24 вересня 1999 р._ Харків, 1999._С.5.

12. Шурыгин О.В. Оцінка ризиків використання у ІВС дубльованих структур з часовою та версійною надмірністю / О.В. Шурыгин // Удосконалення системи і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки: тези доповідей 4-ї науково-технічної конференції, 9-10 жовтня 2003 р._ Харків, 2003._ С.8.

13. Каревик А.А. Влияние мероприятий метрологического обеспечения на надёжность и качество функционирования специальных систем / А.А. Каревик, В.Б. Лобырев, О.В. Шурыгин, А.Н. Дзябенко, В.А. Климчук // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: материалы 1-го Международного радиоэлектронного форума МРФ-2002, 8-10 октября 2002 г.- Ч 2.- Харьков, 2002. _C.457 - 459.

14. Шурыгин О.В. Отказоустойчивые информационно-управляющие системы с комбинированной избыточностью: методы резервирования и оценки / О.В. Шурыгин // Інтегровані комп`ютерні технології в машинобудуванні - ІТКМ-2004: матеріали Міжнародної науково-технічної конференції. - Харків, 2004. - С.340.

15. Шуригін О.В. Імітаційне моделювання структур з комбінованою надмірністю інформаційно-управляючих систем спеціального призначення / О.В. Шуригін // Удосконалення системи і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки: тези доповідей 5-ї науково-технічної конференції, 6-7 жовтня 2004 р._ Харків, 2004._ С.8.

16. А.с. 1599916 СССР, Преобразователь кодов / Петунин С.Ю., Самойленко В.В., Шурыгин О.В. (СССР) - № 4630722 ; заявл. 03.01.89; опубл. 15.10.1990, Бюл. №38.

17. А.с. 1649675 СССР, Преобразователь кодов / Петунин С.Ю., Самойленко В.В., Шурыгин О.В. (СССР) - № 4470723 ; заявл. 01.08.88; опубл. 15.05.1991, Бюл. №18.

Размещено на Allbest.ru