Методи та інформаційна технологія розробки компонентних функціональних структур для забезпечення живучості бортових інформаційно-управляючих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

БОРОДАВКА Наталія Павлівна

УДК 629.735.33.05.017.1+658.012.011.56

МЕТОДИ ТА ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ РОЗРОБКИ КОМПОНЕНТНИХ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СТРУКТУР ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЖИВУЧОСТІ БОРТОВИХ ІНФОРМАЦІЙНО-УПРАВЛЯЮЧИХ СИСТЕМ

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Харченко Вячеслав Сергійович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідуючий кафедрою комп'ютерних систем і мереж.

Офіційні опоненти:

- заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Краснобаєв Віктор Анатолійович,

Харківський національний технічний університет

сільського господарства ім. Петра Василенка,

професор кафедри автоматизації та комп`ютерних технологій;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Фесенко Герман Вікторович,

Університет цивільного захисту України, м. Харків,

доцент кафедри організації забезпечення цивільного

захисту в надзвичайних ситуаціях.

Провідна установа:

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

кафедра спеціалізованих комп'ютерних систем,

Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 22 ” червня 2007 р. о 12 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 “ 8 ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________ М. О. Латкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Бортові інформаційно-управляючі системи (БІУС) літальних апаратів (ЛА) призначені для виконання свого основного функціонального призначення і для здійснення інформаційного обміну з іншими бортовими системами. Забезпечення інформаційної взаємодії бортових систем може бути основною функцією БІУС. Прикладом розвиненої бортової інформаційної мережі є інформаційна мережа літака АН-70, що об'єднує системи контролю двигунів, підготовки відбору і кондиціонування повітря, протиобмерзання та інші системи літака. Їх інформаційна взаємодія забезпечується спеціально призначеною системою управління загальнолітаковим обладнанням. Фізично БІУС є складний програмно-апаратний пристрій управління (ПУ) або сукупність таких взаємодіючих пристроїв. З точки зору системної організації ЛА БІУС є підсистемою тих бортових систем, в управлінні якими вона бере участь, і ЛА в цілому. В більшості випадків БІУС є системами категорій “Істотна” і “Критична”, до надійності функціонування яких пред'являються високі вимоги. Категорії прийняті Авіаційним Регістром Міждержавного Авіаційного Комітету для використання при кваліфікації бортових цифрових систем.

Надійність БІУС забезпечується шляхом запобігання відмовам і наданням системі властивості відмовостійкості. Проте з технічних і економічних причин не можна гарантувати повне збереження працездатності в процесі функціонування. Разом з тим для багатьох БІУС допустимою або обов'язковою є властивість живучості - здатність зберігати при виникненні відмов обмежену працездатність із забезпеченням безпеки (деградація функціонування). Живучість також забезпечується наданням системі властивості відмовостійкості.

Відмовостійкість забезпечується введенням надмірності різного роду і в різних поєднаннях. Існує велика кількість теоретичних і практичних рішень по реалізації відмовостійкості. Проте введення надмірності в БІУС може бути обмежено з ряду причин, в першу чергу, внаслідок вимог за массо-габаритними показниками і енергоспоживанням.

Сучасні БІУС, як правило, є розподіленими і багатозадачними системами. До таких систем правомірно застосовувати поняття компонентної функціональної структури (КФС), яка фіксує розподіл функцій, виконуваних системою, по апаратних і програмних компонентах. У ряді випадків КФС може бути використана як засіб підвищення живучості БІУС, що зменшує наслідки відмов компонентів, попереджуючи і тим самим доповнюючи введення надмірності. Проте на практиці формування, аналіз і вибір КФС з позиції забезпечення живучості БІУС як самостійні задачі не розглядаються. Більшість ключових робіт (Авіженіса А., Додонова А.Г., Кузнецової М.Г., Погребінського С.Б., Романкевича О.М., Стрельнікова В.П., Харченка В.С. та інших) пов'язана з дослідженням методів і засобів, де відмовостійкість і живучість забезпечуються за допомогою введення резервних компонентів без аналізу потенційної живучості системи при використанні КФС.

Крім того, внаслідок складності і багатоаспектності БІУС необхідним є створення інформаційних технологій (ІТ), що підтримують розробку живучих систем літальних апаратів.

Враховуючи викладене, актуальною науково-технічною задачею є розробка методів та елементів інформаційної технології оцінки та забезпечення живучості бортових інформаційно-управляючих систем з використанням компонентної функціональної структури.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені у дисертації, проводилися в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” у рамках роботи “Розробка науково-методичних основ й інформаційних технологій оцінки та забезпечення відмовостійкості та безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів, інших комплексів критичного застосування” (№ Г503-42/2003, ДР № 0104U003502, 2005), а також у рамках робіт по створенню комплексної системи кондиціювання повітря (ДР № 0198U000805, 1999 р.) для літака АН-140 та електротеплової системи протиобмерзання планера (ЕТ СПО), системи підготовки повітря (СПП), системи кондиціювання повітря (СКП, 0198U005496, 2001 р.) для літака АН-70 в НТ СКБ “ПОЛІСВІТ” філія ДНВП “Об'єднання Комунар” відповідно до постанови Кабінету Міністрів України № 53 від 05.02.94 р. і приказу Міністра машинобудування воєнно-промислового комплексу та конверсії України № 577 від 19.04.94 р. “Про заходи по розвитку авіаційної промисловості”.

Роль автора у цих проектах, де дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає у розробці методів для підвищення живучості систем та оцінці живучості і формуванні КФС вказаних БІУС.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення живучості бортових інформаційно-управляючих систем на основі формування і аналізу їх компонентних функціональних структур, що забезпечують зменшення ступеня наслідків відмов. Відповідно до поставлених мети і науково-технічної задачі необхідно вирішити наступні часткові задачі.

1. Провести аналіз методів та засобів забезпечення живучості БІУС.

2. Розробити метод аналізу живучості, моделей функціонування та кількісних оцінок живучості БІУС.

3. Розробити метод розподілу функцій задач по компонентах БІУС разом з формуванням вихідних даних, на яких будуть проводитися дослідження, та порівняльних оцінок елементів КФС.

4. Розробити елементи ІТ підтримки створення живучих БІУС з використанням КФС.

5. Впровадити на практиці результати досліджень при створенні БІУС для авіаційних систем.

Об'єкт досліджень - процесс розробки бортових інформаційно-управляючих систем літальних апаратів.

Предмет досліджень - методи та інформаційна технологія розробки живучих бортових інформаційно-управляючих систем.

Методи досліджень. Методи досліджень, використовувані в даній роботі, базуються на принципах математичного моделювання і застосуванні апарату теорій множин і матриць, математичної логіки, теорії ймовірності, теорії мереж Петрі, комбінаторики. Принципи математичного моделювання (цілеспрямованість, спрощення, декомпозиція і ін.) використані при виборі елементів БІУС, які моделюються. Єдине формалізоване представлення БІУС одержане з використанням матриць, операцій над ними і функцій математичної логіки. Матричне представлення у даному випадку найбільш компактно представляє інформацію про наявність і взаємозв'язки елементів БІУС для побудови моделей її функціонування. Аналітичні моделі функціонування БІУС побудовані з використанням функцій математичної логіки та алгебри подій, оскільки метою моделювання є визначення звершення факту отримання тих або інших даних (детерміновані моделі) і ймовірності його звершення (ймовірнісні моделі). Мережі Петрі вибрані як математичний апарат для імітаційного моделювання функціонування БІУС. Відповідно до цього, правила побудови і виконання запропонованих для моделювання функціонування БІУС видів мереж - власної і уніфікованої - засновані на положеннях теорії мереж Петрі. Дослідження в частині формування КФС БІУС грунтуються на аналізі наслідків виконання компонентами БІУС тієї або іншої множини її функцій, тому тут природним є використання теорії множин. Для оцінки об'єму обчислень при формуванні КФС використано комбінаторний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено метод розподілу функцій задач по компонентах бортових інформаційно-управляючих систем за критерієм живучості, що, на відміну від існуючих, базується на оцінці критичності наслідків відмов, що дозволяє зменшити міру деградації системи.

2. Удосконалено метод аналізу живучості бортових інформаційно-управляючих систем за рахунок запропонованих детермінованих оцінок, враховуючих множину працездатних станів та багатофункціональність системи, який дозволяє сумісно з ймовірностними оцінками підвисити повноту аналізу живучості.

3. Дістали подальший розвиток моделі функціонування систем, які використовуються для аналізу живучості, на основі мереж Петрі з кольоровими фішками та дугами, що дозволяє у деяких випадках спростити процес моделювання при розрахунку показників живучості.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі запропонованих моделей та методів розроблено інженерні методики та алгоритми, які дозволяють формувати, аналізувати та відбирати КФС відповідно до заданих вимог на ранніх етапах проектування БІУС - узгодження технічного завдання (ТЗ) та ескізного проектування. Їх використання підвищить якість розробки БІУС (щодо їх живучості та безпеки) та зменшить, у ряді випадків, кількість елементів, що використовуються, масо-габаритні показники, показники енергоспоживання.

Одержанню такого ж ефекту буде сприяти створення та використання системи автоматичного проектування (САПР) на основі запропонованих елементів та архітектури інформаційної технології підтримки визначення КФС живучих БІУС.

Розроблені методи аналізу живучості і розподілу функцій задач по компонентах БІУС та їх елементи було використано при розробці БІУС ЕТ СПО, СПП, СКП літака АН-70 АНТК ім. О.К. Антонова (акт впровадження від 21.12.2006 р.) і БІУС СПП, СКП літаків ТУ-214, ТУ-334 ВАТ НВО “Наука”, Росія, м. Москва (акт впровадження від 24.01.2007 р.), а також в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (акт впровадження від 23.02.2007).

Достовірність одержаних результатів. Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, наведених у дисертації, підтверджується:

- коректністю прийнятих припущень, що базувались на аналізі реальних проектів і використовувались при розробці методів аналізу живучості та розподілу функцій задач по компонентах БІУС;

- співпадінням результатів оцінки живучості БІУС при використанні різних методів моделювання;

- результатами практичного впровадження розроблених методів при проектуванні та експлуатації БІУС літаків.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати одержані автором особисто. Особистий внесок автора в роботах, написаних в співавторстві, полягає в наступному:

- у роботі [5] - введено поняття КФС БІУС, обгрунтовано використання КФС як засобу підвищення живучості БІУС, одержано єдине формалізоване представлення БІУС;

- у роботі [1] - побудовані аналітичні детерміновані і ймовірнісні моделі отримання даних в процесі функціонування БІУС, введена детермінована кількісна оцінка живучості БІУС, розроблений метод аналізу живучості БІУС;

- у роботі [2] - введена комплексна оцінка живучості БІУС, запропоновані два види мереж Петрі для імітаційного моделювання функціонування БІУС - власна і уніфікована;

- у роботі [4] - визначена загальна концепція ІТ підтримки визначення КФС БІУС, розроблені схема взаємодії інформаційних потоків, процесів і інструментальних засобів, архітектура інструментальних засобів.

Апробація результатів дисертації. Результати наукових досліджень доповідались і обговорювались на засіданнях міжгалузевого науково-технічного семінару “Критичні комп'ютерні технології та системи” (кафедра комп'ютерних систем і мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”), а також на конференціях: “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, 2004 р.); “Гарантоздатні (надійні та безпечні) системи, сервіси та технології” (м. Полтава, 2006 р.); “Синтез, обробка та відображення інформаційних моделей (Інфосинтез)” (м. Харків, 2007 р.).

Публикації. За результатами роботи опубліковано 6 друкованих праць. З них п'ять статей в спеціалізованих наукових виданнях, які включено до Переліку ВАК України, і одна теза доповідей у збірнику наукових праць конференції.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, п'ять розділів, висновки та додаток. Повний обсяг дисертації складає 179 сторінки, у тому числі: 35 рисунків на 11 окремих сторінках, 37 таблиць на 10 окремих сторінках, список зі 123 використаних літературних джерел на 11 сторінках, додаток на 4 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

інформаційний літальний управляючий бортовий

У вступі обґрунтована актуальність теми і наукових задач; сформульована мета дисертаційної роботи; надано характеристики об'єкту, предмету, наукової новизни і практичного значення одержаних результатів; описано особистий внесок здобувача, дані про впровадження, апробацію і публікації результатів досліджень.

У першому розділі викладаються результати аналізу проблематики забезпечення живучості БІУС і формулюється задача дослідження.

На підставі аналізу сучасного розуміння терміну “живучість” стосовно технічних систем і з урахуванням існуючої неоднозначності щодо його змісту конкретизовано поняття живучості БІУС для проведення дисертаційного дослідження. Живучість БІУС розглядається як ії властивість зберігати при виникненні відмов обмежену (часткову) працездатність і забезпечувати безпеку в процесі функціонування незалежно від причин, що викликали ці відмови.

Проаналізовано підходи до надання бортовим системам властивості відмовостійкості і сумішні проблеми. Їх аналіз показав, що введення надмірності в БІУС, що є єдиним засобом забезпечення відмовостійкості, і, отже, живучості системи, не завжди можливо. Причинами цього є або вимоги і обмеження, що пред'являються БІУС щодо масо-габаритних та енергетичних характеристик, або принципова неможливість практичної реалізації резервованих систем.

Описано структурну організацію БІУС, що включає (рис. 1): структуру апаратних засобів (компоненти С1, С2, С3 і фізичні зв'язки між ними); структуру задач (t1, t2, t3); КФС, що будується на множині компонентів, множині задач і множині функцій кожної задачі БІУС (f11, f12, f13; f21, f22, f23; f31, f32, f33).

Проаналізовані відомі моделі і оцінки, що використовуються для аналізу живучості систем, з точки зору їх будування, формування та використання.

Запропоновано використовувати КФС як засіб підвищення живучості БІУС, що дозволяє запобігти або доповнює введення надмірності для забезпечення відмовостійкості. Суть використання КФС для підвищення живучості БІУС полягає в тому, що різні КФС при одних і тих же фізичних відмовах забезпечують різну можливість продовження виконання задач БІУС.

Проведені дослідження дозволили визначити загальну науково-технічну задачу дисертаційного дослідження, що розділяється на часткові задачі аналізу і синтезу живучих БІУС.

Основний зміст розділу опубліковано в роботах [5, 6].

У другому розділі визначені елементи методик рішення поставлених задач дисертаційного дослідження - аналізу живучості БІУС і формування КФС живучих БІУС. Викладені основні положення, на яких базуються рішення поставлених задач. Зокрема, для задачі аналізу живучості БІУС описано і обгрунтовано, як моделюється функціонування БІУС, а для задачі формування КФС БІУС вказані і обгрунтовані допущення, що використовуються при розробці методу формування КФС.

У процесі розробки методу аналізу живучості БІУС розв'язуються наступні задачі: розробка моделей функціонування БІУС; формування кількісних оцінок живучості БІУС; визначення порядку вибору КФС.

Функціонування БІУС представляється прийманням, формуванням і видачею даних. Живучість БІУС визначається здатністю системи забезпечувати при виникненні відмов наявність даних, що характеризують її працездатність і безпеку функціонування (контрольованих даних).

Для моделювання функціонування БІУС представляється як сукупність даних, компонентів, що приймають, формують і видають дані, і каналів зв'язку, передаючих дані. Відповідно, отримання даних залежить від:

- працездатності компоненту, що формує дані, і всіх впливаючих компонентів;

- працездатності каналу зв'язку, по якому видаються дані компонентом, і всіх каналів зв'язку, по яких передаються впливаючі дані;

- правильності формування даних.

Результати моделювання характеризують отримання контрольованих даних.

Для аналізу живучості БІУС використовуються аналітичні детерміновані, аналітичні ймовірнісні та імітаційні моделі. Сумісне використання як детермінованих, так і ймовірнісних оцінок дозволяє об'єктивніше оцінити живучість БІУС. Детерміновані моделі визначають факт отримання даних, а ймовірнісні - ймовірність їх отримання залежно від працездатності тв ймовірності безвідмовної роботи компонентів, каналів зв'язку і правильності формування даних. Імітаційні моделі використовуються із-за складності та трудомісткості побудови, у ряді випадків, аналітичних моделей.

У процесі розробки методу розподілу функцій задач по компонентах БІУС розв'язуються наступні задачі: формування оцінок для порівняння варіантів об'єднань функцій задач БІУС; формування множини вихідних даних для проведення досліджень; проведення досліджень для ненадмірних і надмірних БІУС.

Допущення, прийняті при розробці методу розподілу функцій:

- для всіх компонентів зв'язок одного компоненту з іншим здійснюється безпосередньо, без задіювання третіх компонентів;

- примання і видача даних одним компонентом при зв'язку з іншим компонентом здійснюється по одному загальному каналу зв'язку;

- виключається можливість неправильної передачі даних між об'єднаними функціями;

- факт та ймовірність неправильного формування даних (дефекти проектування) не залежать від їх об'єднання;

- ймовірність відмови для кожного компоненту однакова, не залежить від виконуваного їм об'єднання і має експоненціальний закон розподілу - відмови незалежні і їх інтенсивність постійна.

Основний зміст розділу опубліковано в роботах [1-3, 6].

Третій розділ присвячений розробці методу аналізу живучості БІУС. У рамках цього методу одержані наступні результати.

Розроблено єдине формалізоване представлення КФС БІУС, на основі якого будуються моделі функціонування БІУС різних типів для аналізу живучості БІУС. Воно відображає елементи БІУС, що моделюються, та їх взаємозв'язки - приналежність даних і каналів зв'язку компонентам і залежність даних від інших даних, компонентів і каналів зв'язку.

Розроблено аналітичні детерміновані, аналітичні ймовірнісні і імітаційні моделі отримання даних.

Загальний вид детермінованої моделі є логічна функція що формується з урахуванням працездатності компонентів, каналів зв'язку і правильності формування даних. Загальний вид ймовірнісної моделі формується з урахуванням ймовірності безвідмовної роботи компонентів, каналів зв'язку і ймовірності правильності формування даних. Процес виникнення відмов описується ймовірнісними законами, що визначають значення вказаної ймовірності.

Розроблені власні і уніфіковані мережі Петрі з кольоровими фішками і дугами для побудови імітаційних моделей функціонування БІУС і правила їх виконання. Власна мережа Петрі відповідає структурі БІУС - множині компонентів, каналів зв'язку, даних, приналежності каналів зв'язку і даних компонентам. Уніфікована мережа Петрі має загальний принцип побудови для всіх БІУС і надає інформацію про те, які відмови є, отримання яких даних здійснюється, а яких припинено. Така мережа має три позиції - позицію наявних даних Pнаяв (отримання яких продовжується), позицію відсутніх даних Pвідс (отримання яких припинено), позицію відмов Pвідм. Загальний вид уніфікованої мережі приведений на рис. 2. Дуги, позначені “e” (відмови) і “d” (дані), є кольоровими, решта дуг - нейтральними. Т1, Т2, Т3 - переходи мережі Петрі.

Введені кількісні детерміновані, ймовірнісні і комплексна оцінки живучості. Їх кількісні значення визначаються за наслідками моделювання функціонування БІУС і відображають рівень її працездатності.

Детермінована оцінка Dt:

де - кількість станів працездатності БІУС;

- кількість попадань у кожний із станів працездатності ;

- кількісна характеристика стану :

- повністю працездатний стан;

- частково працездатні стани;

- повністю непрацездатний безпечний стан;

- критичний стан;

- кількість відмов, що враховуються.

Графічно є точка на відрізку [-1,1]. Інтервал [-1,0) є недопустимим інтервалом живучості, інтервал [0,1] - допустимим. Живучість тим вище, чим ближче до 1.

Як ймовірнісна оцінки живучості БІУС використовується показник . Він визначає ймовірність того, що БІУС не потрапить в критичний стан.

Комплексна оцінка DP є скалярне чисельне значення, що враховує і детерміновану, і ймовірнісну оцінки живучості БІУС:

де, , характеризують міру обліку оцінок і відповідно; ,.

Визначена послідовність аналізу живучості системи, включаючи процес вибору КФС на сформованій множині, використовуваних оцінках живучості БІУС, їх пріоритетності і допустимих значеннях.

Основний зміст розділу опубліковано в роботах [2, 3, 5, 6].

Четвертий розділ присвячений розробці методу розподілу функцій задач по компонентах БІУС. Загальний підхід до формування КФС полягає в аналізі наслідків об'єднання у порівнянні з базовим варіантом КФС. Базовим варіантом є повністю розподілена КФС - така, в якій кожна функція виконується окремим компонентом. При відмові компоненту перестають виконуватися всі виконувані їм функції. Функції, що не увійшли до об'єднання, залишаються повністю розподіленими і завжди виконуваними. Під наслідком об'єднання розуміється настання наслідків відмови виконуючого його компоненту - невиконання задач і зниження якості функціонування. Наслідки об'єднання аналізуються за детермінованою і ймовірнісною оцінками.

Для формування характеристики кожного об'єднання використовуються наступні положення. Всі функції всіх задач утворюють непересічні множини так, що невиконання кожної функції з тих, що належать одній множині, призводить до одних і тих же наслідків, тобто кожній з такої множини функцій (далі - множина по наслідках) відповідає множина наслідків невиконання цих функцій. Між парою множин по наслідках іможливі наступні взаємозв'язки :

- множини співпадають: ; ; - позначення відповідних функцій;

- множина є підмножиною іншої множини: ; ; ;

- множини перетинаються: ; ; ;

- множини не перетинаються: ; ; .

Об'єднання характеризується наявністю взаємозв'язків між множинами, яким належать об'єднані функції.

Для формування КФС надмірних БІУС застосовується той же підхід, що і для ненадмірних. Всі функції всіх задач, що нерезервуються, резервовані і резервні, утворюють непересічні множини по наслідках, між якими можливі всі вказані взаємозв'язки . Наслідками є невиконання задач, зменшення резерву і зниження якості функціонування.

Формування оцінок для порівняння варіантів об'єднання функцій системи, проведення досліджень і аналіз одержаних даних виконані для КФС ненадмірних БІУС (НКФС) і поширені на КФС надмірних.

Для порівняння варіантів об'єднань функцій з повністю розподіленою КФС використовується комплексна якісна оцінка - комбінація якісних значень детермінованої і ймовірнісної оцінок об'єднання.

Детермінована оцінка характеризує можливість настання менших наслідків об'єднання і має смисл показника мінімального збігу наслідків об'єднання і базової КФС (табл. 1).

Таблиця 1

Значення детермінованої оцінки наслідків об'єднання функцій

Чисельне значення	Якісне значення
< 1	живучість гірша
= 1	живучість не гірша

Ймовірнісна оцінка характеризує ймовірнсть настання найгірших наслідків унаслідок об'єднання функцій. Використовуються співвідношення і ймовірнісної оцінки настання тих же наслідків в базовій КФС (табл. 2).

Таблиця 2

Значення ймовірнісної оцінки наслідків об'єднання функцій

Чисельне значення	Якісне значення
>	живучість гірша
=	живучість не гірша
<	живучість краща

Дослідження проведені на множині структур системи з трьох задач, що містить всі поєднання залежностей задач - задачі незалежні, одна задача впливає на іншу, задачі впливають одна на одну (рис. 3). Проаналізовано повну множину об'єднань для кожної структури задач. Для кожного об'єднання кількісні значення ймовірнісних оцінок визначалися при для тривалості функціонування 1 година, 10 годин, 1 доба, 1 тиждень, 1 місяць, 1 рік, 3 роки, 5 років, 7 років, 10 років, 15 років, 20 років, 25 років, 30 років. Для визначення якісних значень ймовірнісних оцінок використовувалися значення .

Повна множина об'єднань сформована прямим перебором всіх поєднань функцій. Одержано 43 варіанти об'єднань, що утворюють п'ять груп G1 - G5 по поєднанню значень і співвідношень і (рис. 4).

Групи ідентифікуються відносинами , ,максимальних по наслідках множин, в які входять об'єднані функції, незалежно від наявності і відносин R їх підмножин. У графічному представленні груп коло відображає множину функцій. Коло з подвійною межею відображає ситуацію, коли в об'єднання входить більше однієї функції однієї і тієї ж множини.

Одержані результати правомірні для надмірних БІУС, оскільки оцінки носять якісний характер, НКФС є частковим випадком КФС, а КФС може перетворитися, повністю або частково, у НКФС в процесі функціонування після відмов.

Для надмірних БІУС проведені додаткові дослідження, засновані на можливості різних інформаційних зв'язків між резервованими та їх резервними функціями. Одержані результати узгоджуються з результатами, одержаними при проведенні досліджень для ненадмірної БІУС. Додатковими оцінками для надмірних БІУС, які можуть використовуватися при формуванні їх КФС, є максимальна кількість відмов, що призводить до настання тих або інших наслідків, і кількість задіяних компонентів, що виконують резервовані та резервні функції.

Правила формування КФС:

- для кожної функції визначаються наслідки її невиконання і критичність відповідного стану БІУС;

- формуються множини функцій по наслідках;

- множини розподіляються по рівнях залежно від критичності їх наслідків; приналежність множини рівню визначається максимальною критичністю ії наслідків;

- функції об'єднуються за такими принципами:

1) функції, незалежно від того, належать вони до одного рівня або до різних, не можна об'єднувати, якщо при невиконанні цього об'єднання критичність стану БІУС більше за критичність їх загального рівня або верхнього з цих рівнів;

2) функції різних рівнів можуть об'єднуватися, якщо не погіршується детермінована оцінка об'єднання (інакше погіршується живучість БІУС);

3) об'єднання функцій одного рівня формуються з урахуванням пріоритетності оцінок наслідків об'єднань і результатів проведеного дослідження; пріоритети цих оцінок для різних рівнів можуть бути різні.

Виконано оцінку об'єму обчислень при формуванні КФС. Значення оцінки має степеневу залежність від кількості функцій і свідчить про необхідність автоматизації процесу формування КФС.

Основний зміст розділу опубліковано у роботі [3].

У п'ятому розділі визначено загальна концепцію і розроблено елементи інформаційної технології підтримки визначення КФС БІУС, що відповідають логіці розроблених методів аналізу живучості і розподілу функцій задач БІУС, а саме: схема взаємодії інформаційних потоків, процесів і інструментальних засобів вказаної технології (рис. 5); архітектура інструментальних засобів (рис. 6).

Проаналізовано результати практичної реалізації наукових положень і висновків при створенні БІУС літальних апаратів. Одержані наступні експертні показники ефективності використання КФС як засобу підвищення живучості реальних БІУС: підвищення живучості БІУС на 10-30%; зменшення кількості елементів, що використовуються, на 15-20% з відповідним зменшенням массо-габаритних показників на 10-15% і показників енергоспоживання на 10-20%; потенційна економія витрат часу на розробку - 27-50% від загального часу їх розробки.

Основний зміст розділу опубліковано у роботі [4].

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача розробки методів та елементів інформаційної технології оцінки та забезпечення живучості бортових інформаційно-управляючих систем з використанням компонентної функціональної структури.

2. Вперше розроблено метод розподілу функцій задач по компонентах БІУС за критерієм живучості, який, на відміну від існуючих, базується на оцінці критичності наслідків відмов, що дозволяє зменшити міру деградації системи.

3. Удосконалено метод аналізу живучості БІУС за рахунок запропонованих детермінованих оцінок, враховуючих множину працездатних станів та багатофункціональність системи, що дозволяє сумісно з ймовірностними оцінками підвисити повноту аналізу живучості.

4. Дістали подальший розвиток моделі функціонування систем, які використовуються для аналізу живучості, на основі мереж Петрі з кольоровими фішками та дугами, що дозволяє у деяких випадках спростити процес моделювання при розрахунку показників живучості.

5. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі запропонованих моделей та методів розроблено інженерні методики та алгоритми, які утворюють ядро прикладної інформаційної технології та дозволяють формувати, аналізувати та відбирати КФС відповідно до заданих вимог на ранніх етапах проектування БІУС - узгодження ТЗ та ескізного проектування. Використання цих результатів підвищує якість розробки (щодо живучості та безпеки БІУС) та зменшує, у ряді випадків, кількість елементів, що використовуються, масо-габаритні показники, показники енерговживання. Створення та використання САПР на основі запропонованих елементів та архітектури інформаційної технології підтримки визначення КФС живучих БІУС буде сприяти такому ж ефекту.

6. Результати, отримані у роботі, було використано при розробці БІУС ЕТ СПО, СПП і СКП літаків АН-70, ТУ-214, ТУ-334. Аналіз живучості і вибір запропонованих КФС у БІУС ЕТ СПО та використання правил формування КФС у БІУС СПП і СКП підвищили живучість БІУС та відповідних систем літаків на 10-30% (порівняно з найгіршими варіантами та з врахуванням можливих послідовностей відмов) завдяки створенню оптимальної багаторівневої схеми парирування відмов, що допускає поступову деградацію функціонування.

7. Подальшим розвитком проведених робот є:

- аналіз живучості БІУС у термінах теорії мереж Петрі;

- удосконалення методу розподілу функцій задач по компонентах БІУС щодо його повної формалізації;

- створення інтегрованої САПР на основі запропонованих елементів ІТ підтримки визначення КФС.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бородавка Н.П., Харченко В.С. Моделирование и анализ живучести бортовых информационно-управляющих систем по неизбыточной функциональной структуре // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - № 2. - С. 89-95.

2. Харченко В.С., Бородавка Н.П. Использование сетей Петри при проведении анализа живучести бортовых информационно-управляющих систем // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - № 6. - С. 55-60.

3. Бородавка Н.П. Формування функціональних структур живучих бортових інформаційно-керуючих систем // Системи озброєння і військова техніка. - 2006. - № 3. - С. 19-29.

4. Харченко В.С., Бородавка Н.П. Информационная технология поддержки определения компонентных функциональных структур живучих бортовых информационно-управляющих систем // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. - Харків: Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, 2007. - Вип. № 1. - С. 82-86.

5. Харченко В.С., Бородавка Н.П. Формализованное представление номинальной функциональной структуры для анализа живучести бортовых информационно-управляющих систем // Моделювання та інформаційні технології. - К.: Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова, 2004. - Вип. № 26. - С. 206-212.

6. Бородавка Н.П. Использование номинальной функциональной структуры для повышения живучести бортовых информационно-управляющих систем // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2004). - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2004. - С. 267.

АНОТАЦІЯ

Бородавка Н. П. Методи та інформаційна технологія розробки компонентних функціональних структур для забезпечення живучості бортових інформаційно-управляючих систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2007.

Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню методів та елементів інформаційної технології забезпечення живучості бортових інформаційно-управляючих систем (БІУС). Запропоновано використовувати компонентну функціональну структуру (КФС) системи як додатковий засіб забезпечення живучості, що зменшує наслідки відмов і попереджує введення надмірності. КФС базується на розподілі функцій задач між компонентами. Розроблено методи аналізу живучості та розподілу функцій задач по компонентам БІУС. Метод аналізу живучості базується на моделюванні функціонування БІУС та отриманні вихідних даних, що характеризують ії працездатність та безпеку. Метод розподілу функцій задач по компонентам БІУС базується на оцінці наслідків об'єднання функцій задач БІУС. Запропоновані методи було використано на етапах ескізного проектування при розробці БІУС літаків.

Ключові слова: бортова інформаційно-управляюча система, живучість, компонентна функціональна структура.

АННОТАЦИЯ

Бородавка Н. П. Методы и информационная технология разработки компонентных функциональных структур для обеспечения живучести бортовых информационно-управляющих систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена разработке и усовершенствованию методов и элементов информационной технологии обеспечения живучести бортовых информационно-управляющих систем (БИУС).

Свойство живучести системы, допускающее деградацию функционирования, обеспечивается, прежде всего, приданием системе свойства отказоустойчивости. Отказоустойчивость, в свою очередь, реализуется введением избыточности. Результаты проведенного анализа решений по реализации отказоустойчивости показали, что в ряде случаев для бортовых систем введение избыточности затруднено, т.к. нарушает предъявляемые к таким системам требования.

Современные БИУС являются распределенными и многозадачными, что позволяет выделить в их организации компонентную функциональную структуру (КФС), являющуюся результатом распределения функций выполняемых системой задач по компонентам. В ряде случаев КФС может быть использована как средство, предваряющее и тем самым дополняющее введение избыточности. В таких КФС функции распределяются по компонентам так, чтобы минимизировать последствия отказов и тем самым повысить живучесть системы.

Проведенный анализ позволил сформулировать общую научно-техническую задачу исследования - разработка методов и элементов информационной технологии оценки и обеспечения живучести БИУС с использованием КФС.

Метод анализа живучести БИУС основан на моделировании функционирования БИУС для получения выходных данных, характеризующих работоспособность и безопасность БИУС. В рамках разработки этого метода:

- построены аналитические детерминированные, аналитические вероятностные и имитационные модели получения данных, учитывающие работоспособность физических составляющих системы (компонентов и каналов связи) и правильность формирования отдельных данных;

- разработаны цветные сети Петри для построения имитационных моделей функционирования БИУС и правила их выполнения;

- введены количественные оценки живучести, численные значения которых определяются по результатам моделирования функционирования БИУС и отражают уровень работоспособности БИУС;

- определена последовательность анализа живучести системы, включая процесс выбора КФС, основанный на множестве рассматриваемых КФС, используемых оценках живучести БИУС, их приоритетности и допустимых значениях.

Метод распределения функций задач по компонентам БИУС базируется на оценке последствий объединения функций задач БИУС (выполнения их одним компонентом). Введены детерминированная, вероятностная и комплексная оценки последствий объединений. Описаны и обоснованы получение и систематизация исходных данных, на основании которых определяются правила формирования КФС. Метод не зависит от закона распределения вероятности отказов, что позволяет применять его с различными законами распределения. Проведены исследования для КФС неизбыточных и избыточных БИУС, т.к. наличие резервных функций в избыточных БИУС делает возможным введение дополнительных оценок для сравнения вариантов объединений функций. Сформулированы правила и определен порядок формирования КФС живучих БИУС.

Определена общая концепция ИТ поддержки определения КФС БИУС и рассмотрены ключевые составляющие ИТ, имеющие непосредственное отношение к определению КФС - информационные потоки, их преобразование, математические и программные средства. Разработаны элементы информационной технологии поддержки определения КФС БИУС - схема взаимодействия информационных потоков, процессов и инструментальных средств и архитектура инструментальных средств, соответствующие логике разработанных методов анализа живучести и распределения функций задач по компонентам БИУС.

Практическая значение полученных результатов состоит в том, что они позволяют осуществлять направленное формирование КФС живучих БИУС, анализ живучести БИУС и отбор решений на ранних этапах проектирования. Это повышает качество разработки и уменьшает финансовые и временные затраты на разработку и возможную последующую доработку БИУС, а в ряде случаев уменьшает количество используемых элементов, массо-габаритные показатели, энергопотребление. Создание САПР на основе предложенных элементов ИТ будет способствовать повышению качества разработки и сокращению затрат всех видов (стоимостных, временных, ресурсных) на разработку и модификацию БИУС.

Разработанные методы были использованы на этапах эскизного проектирования при разработке БИУС самолетов.

Ключевые слова: бортовая информационно-управляющая система, живучесть, компонентная функциональная структура.

ABSTRACT

Borodavka N. P. Methods and information technology for the developing component functional structures of survivable onboard information and control systems. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.13.06 - Automatized control systems and advanced information technologies. - National Aerospace University “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2007.

Thesis is dedicated to development and perfection of methods and information technology elements to provide survivability of onboard information and control systems (OICS). The analysis of OICS fault-tolerance realization was implemented. Using its results it is proposed to use the OICS component functional structure (CFS) as a supplementary technique for the survivability providing. It forestalls introduction of redundancy. CFS is function distribution between system components. The method of survivability analysis and the method of function distribution were developed. The method of survivability analysis is based on the OICS operating modeling and getting output date. The latter characterize both of OICS capacity for work and safety. The method of function distribution is based on evaluation of consequences of the OICS function uniting. The developed methods were used at early stages of OICS development for planes.

Keywords: onboard information and control system, survivability, component functional structure.

Відповідальний за випуск Латкін М.О.

Підписано до друку 7.05.2007

Умовн.-друк. арк. 1,0. Тираж 100 прим.

Замовлення № 237

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр “ХАІ”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu

Размещено на Allbest.ru