Разработка программы для интерактивного выполнения расчета надежности ВС

Содержание

Введение

      На  сегодняшний день надежность вычислительной системы имеет главенствующее значение, так как является средством обеспечения своевременной и достоверной информации на ее выходе.

      Несмотря  на широкое разнообразие существующих методов создание специализированных программных средств по расчету надежности на сегодняшний день редкость. Естественно проведение расчетов надежности сложная, тесно связанная с процессом проектирования и разработки задача, алгоритмизация которой проблематична. Тем не менее выполнение ориентировочного расчета, позволяющего судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности, необходимо при выборе той или иной конфигурации, вычислительной системы или выборе ее компонентов.

      Целью данного проекта являлась разработка алгоритмического и программного обеспечения ориентировочного расчета надежности вычислительных средств.

    Для этого было необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать особенности вычислительных систем, как объекта расчета надежности;
• осуществить выбор метода расчета надежности вычислительной системы;
• разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проведения ориентировочного расчета надежности вычислительных систем.

1. Анализ особенностей расчета надежности  
вычислительных систем

1.1. Особенности вычислительной системы как объекта с позиции надежности

      Информационно-вычислительная система – это сложная программно-аппаратная система, включающая в свой состав эргатические (человеко-машинные) звенья, технические или аппаратные средства и программное обеспечение. При анализе надежности вычислительных средств, необходимо учитывать две их составляющие: надежность аппаратных средств и надежность программного обеспечения. Если методы исследования и обеспечение надежности технической (аппаратной) составляющей системы аналогичны соответствующим мероприятиям других устройств, то программное обеспечение отличается от подобной методологии. Так, при исследовании этих структур имеется в виду достоверность информации, ее корректность, правильность ее интерпретации.

      Названные категории не исключают, а взаимно  дополнят друг друга, поскольку в  такой сложной системе, как вычислительно-информационная, обеспечить необходимый уровень надежности можно, только учитывая особенности ее составляющих.

      Самые совершенные начальные технические  характеристики технических устройств являются необходимыми, но недостаточными условиями высоких эксплуатационных качеств этих устройств. Начальные характеристики технических устройств показывают его потенциальные технические возможности. Важным является способность технических устройств сохранять эти характеристики в течение всего жизненного цикла или в процессе эксплуатации.

      Способность технических устройств сохранять  свои первоначальные технические качества в процессе эксплуатации называется надежностью.

      Эта способность зависит как от свойств, которые были заложены в устройства в процессе проектирования и изготовления, так и от интенсивности эксплуатации, правильности и своевременности технического обслуживания. Поэтому физический смысл надежности состоит в способности сохранять эти свойства, сопротивляться агрессивным эксплуатационным факторам. Надежность может выступать как в качестве самостоятельной эксплуатационной характеристики, так и служить составляющей других эксплуатационных характеристик.

      Определение надежности в соответствии с ГОСТ 27.002-83, отражает важную эксплуатационную сущность этого показателя. Под надежностью понимается свойство устройств выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные характеристики в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки в определенных условиях эксплуатации.

      В соответствии с определением, надежность является сложным свойством. Именно благодаря надежности, устройство выполняет определенные функции, делая это в течение некоторого срока, с заданным качеством. Это происходит вследствие наличия таких составляющих надежности, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

      Основными признаками, по которым подразделяют изделия при задании требований по надежности, являются определенность назначения изделия, число возможных (учитываемых) состояний изделий по работоспособности в процессе эксплуатации, режим применения (функционирования), возможные последствия отказов и (или) достижения предельного состояния при применении и (или) последствия отказов при хранении и транспортировании, возможность восстановления работоспособного состояния после отказа, характер основных процессов, определяющих переход изделия в предельное состояние, возможность и способ восстановления технического ресурса, (срока службы), возможность и необходимость технического обслуживания, возможность и необходимость контроля перед применением.

      По  определенности назначения изделия  подразделяют на изделия конкретного назначения (ИКН), имеющие один основной вариант применения по назначению и изделия общего назначения (ИОН), имеющие несколько вариантов применения. Большинство используемых ВС используются для обработки и хранения информации и поэтому могут быть классифицированы как ИОН.

      По  числу возможных (учитываемых) состояний (по работоспособности) изделия подразделяют на изделия вида I, которые в процессе эксплуатация могут находиться в двух состояниях - работоспособном или неработоспособном и изделия вида II, которые, кроме указанных двух состояний, могут находиться в некотором числе частично неработоспособных состояний, в которые они переходят в результате частичного отказа.

      Для ВС возможно частично неработоспособное  состояние, например, когда не хватает  оперативной памяти для запуска  приложения или отказ произошел в компоненте, который может рассматривать как резервированный – клавиатура и мышь.

      По  режимам применения (функционирования) изделия подразделяют на изделия непрерывного длительного применения, изделия многократного циклического применения, изделия однократного применения (с предшествующим периодом ожидания применения и хранения).

      По  возможности восстановления работоспособного состояния после отказа в процессе эксплуатации изделия подразделяют на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято при отказе объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта в случае его отказа по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и то же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

      Поскольку в техническом задании не указано  конкретное назначение ВС, то критические системы не рассматриваются и можно при расчетах надежности считать ВС – восстанавливаемым объектом.

1.2. Выбор номенклатуры показателей надежности ВС

      Под номенклатурой показателей надежности понимают состав показателей, необходимый и достаточный для характеристики объекта или решения поставленной задачи. Полный состав номенклатуры показателей надежности, из которой выбираются показатели для конкретного объекта и решаемой задачи, установлен ГОСТ 27.002-89.

      Количественные характеристики надежности всегда принимаются во внимание при решении различных вопросов эксплуатации и технического обслуживания. Количественное определение надежности появилось с возникновением теории надежности. Математической платформой теории надежности информационных систем являются теория вероятностей и математическая статистика. Действительно, отказы в ТУ происходят случайным образом в неожиданные моменты времени. Это характерно даже для множества однотипных устройств, изготовленных на одном предприятии и поставленных на эксплуатацию в одно и то же время. Несмотря на единый проект, одинаковость технологии производства – каждый из них имеет индивидуальную способность сохранять свои первоначальные качества. Первоначально кажется, что никакой закономерности в появлении отказов нет. Тем не менее, такая закономерность существует. Проявляется она тогда, когда ведется наблюдение не за одним, а за многими техническими устройствами, находящимися в эксплуатации.

      В качестве основной количественной меры надежности технических устройств, характеризующей закономерность появления отказов во времени, принята вероятность безотказной работы.

      Вероятность безотказной работы (ВБР) – это  вероятность того, что за определенное время работы устройства и в заданных условиях эксплуатации отказа не происходит.

      На  практике определяют оценки этих вероятностей. Пусть N – это общее количество однотипных устройств, эксплуатируемых в течение времени t . За это время N(t) устройств работало безотказно, а n(t) – отказало. Статистическая вероятность безотказной работы определяется выражением (N-n(t))/N или N(t)/N.

      Вероятность безотказной работы P(t), как количественная характеристика надежности, обладает следующими достоинствами:

      характеризует изменение надежности во времени;

      она входит во многие другие характеристики аппаратуры (например стоимость изготовления);

      охватывает  большинство факторов, влияющих на надежность, и поэтому достаточно полно характеризует надежность;

      может быть получена расчетным путем до изготовления системы;

      является  характеристикой как простейших элементов, так и сложных систем.

      Это явилось причиной наибольшего распространения  этой характеристики, однако она имеет существенные недостатки:

      характеризует надежность восстанавливаемых систем только до первого отказа;

      не  дает возможности установить будет  ли готова система к действию в данный момент;

      Эти недостатки позволяют сделать вывод, что вероятность безотказной работы, как, впрочем, и любая другая характеристики, не полностью характеризуют такое свойство как надежность, и поэтому не может быть с ним отождествлена.

      Числовой  характеристикой, которая путем  учета отказавших однотипных объектов позволила бы определить уровень надежности этих объектов в любой момент времени, является интенсивность отказов. Она определяется количеством отказов Dn в интервале Dt, отнесенных к исправно действующим однотипным устройствам в данном интервале.

      Интенсивность отказов как количественная характеристика надежности позволяет охарактеризовать надежность аппаратуры лишь до первого отказа.

      Интенсивность отказов имеет характерные изменения  в процессе эксплуатации. Характерными являются 3 участка, получившие название периодов приработки, нормальной эксплуатации (II) и период износа и старения (III). В первом периоде проявляются конструктивно производственные недостатки, и временная зависимость отказов скачкообразно изменяется. Во II периоде отказы происходят в основном из-за нарушений или изменений условий эксплуатации, поэтому считается, что  при выполнении условий эксплуатации интенсивность отказов постоянна и не зависит от времени. В связи с этим на практике интенсивность отказов наиболее часто используемая характеристика надежности, которая приводится в нормативно-справочной документации или в специальных справочниках по надежности элементов и узлов, а также легко может быть получена по другим известным показателям надежности.

      В технических описаниях компонентов  вычислительных систем наиболее часто приводят значения среднего время безотказной работы или средней наработки на отказ. Если некоторое количество из множества однотипных устройств, находящихся в эксплуатации, проработает безотказно какое-то время t£T, причем каждый из устройств – свое, остальные же откажут раньше, чем наступит время T . Отсюда время T можно рассматривать как математическое ожидание отрезков времени безотказной работы этих однотипных устройств.

      Основным  достоинством среднего времени безотказной работы является его простота вычисления из экспериментальных данных об отказах аппаратуры. Однако оно характеризует надежность до первого отказа. Среднее время до отказа является естественным показателем надежности, но не применимо в тех случаях, когда:

      время работы системы гораздо меньше среднего времени безотказной работы;

      система резервированная;

      время работы отдельных частей сложной  системы разное.

      У восстанавливаемых объектов, среднее  время до первого отказа может существенно отличаться от среднего времени между первым и вторым отказами, вторым и третьим и т.д. Поэтому надежность аппаратуры длительного использования оценивают, в отличие от среднего времени безотказной работы, так называемой наработкой на отказ. Наработкой на отказ называется среднее значение времени между соседними отказами, при условии восстановления каждого отказавшего элемента. Наработка на отказ является достаточно наглядной характеристикой надежности, поэтому получила широкое распространение на практике. Однако, наработка на отказ характеризует надежность ремонтируемого объекта и не учитывает времени, затрачиваемого на его восстановление и не характеризует готовность объекта к выполнению своих функций в нужное время. Для этой цели используют коэффициент готовности.

      Коэффициент готовности – вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольный момент времени его использования по назначению. Согласно статистическому определению коэффициент готовности – отношение времени исправной работы к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев изделия, взятых за один и тот же календарный период.

      Коэффициент готовности, как правило, учитывает  свойства аппаратурной безотказности и восстанавливаемости. Если под отказом понимать не только отказ аппаратуры, но любой отказ системы в выполнении заданных функций (в том числе вызванный дефектами программного обеспечения, снижением достоверности и т.п.), тогда коэффициент готовности может выполнять роль комплексного показателя надежности информационно-вычислительной системы, учитывающего и другие свойства системы.

      Ремонтопригодностью называется способность технического устройства к восстановлению в процессе эксплуатации. Показателями ремонтопригодности могут быть: вероятность восстановления системы за заданное время Pв(t), среднее время восстановления tв, и интенсивность восстановления m.

      Наиболее  часто для оценки ремонтопригодности ВС применяется среднее время восстановления. Эта характеристика наиболее наглядна, она во многом определяет такой важный показатель качества ВС, как готовность к работе. Она является интегральной, поэтому обладает следующим недостатком: неполно характеризует ремонтопригодность ВС, если закон распределения времени восстановления не однопараметричный и для оценки ремонтопригодности требуется знание моментов высшего порядка. В процессе эксплуатации среднее время восстановления может быть получено экспертными методами.

      Важнейшей характеристикой ремонтопригодности технических устройств вычислительных машин и систем является интенсивность их восстановления. Это объясняется тем, что большинство показателей качества ВС в процессе их проектирования вычисляются через интенсивности восстановления их устройств.

      Выбор показателя зависит в основном от общего назначения системы, но на него может влиять также и степень важности или ответственности функций, выполняемых системой. При рассмотрении ВС – как восстанавливаемой в качестве основного показателя надежности следует выбрать комплексный - коэффициент готовности, характеризующий одновременно безотказность и ремонтопригодность, а дополнительно использовать единичные – безотказности – среднюю наработку на отказ и ремонтопригодности - среднее время восстановления.

1.3. Анализ возможностей применения различных методов для оценки надежности вычислительных средств

      Методы  расчета надежности подразделяют:

      по  составу рассчитываемых показателей  надежности ;

      по  основным принципам расчета.

      Показатели  надежности принято классифицировать по следующим признакам:

      1) по свойствам надежности различают:

      - показатели безотказности;

      - показатели долговечности;

      - показатели ремонтопригодности;

      - показатели сохраняемости;

      2) по числу свойств надежности, характеризуемых показателем, различают:

      - единичные показатели (характеризуют одно из свойств надежности);

      - комплексные показатели (характеризуют одновременно несколько свойств надежности, например, безотказность и ремонтопригодность);

      По числу характеризуемых объектов различают:

      Групповые показатели – показатели, которые могут быть определены и установлены только для совокупности объектов; уровень надежности отдельного экземпляра объекта они не регламентируют.

      Индивидуальные  показатели – показатели, устанавливающие  норму надежности для каждого  экземпляра объекта из рассматриваемой  совокупности (или единичного объекта).

      Смешанные показатели могут выступать как групповые или индивидуальные.

      По источнику информации для оценки уровня показателя различают:

      расчетные показатели, 

      экспериментальные показатели,

      эксплуатационные  показатели,

      экстраполированные  показатели.

      По размерности показателя различают показатели, выражаемые  наработкой, сроком службы, ресурсом и  безразмерные (в том числе, вероятности событий).

      При рассмотрении показателей надежности следует различать:

      наименование  показателя;

      формулировку  показателя, содержащую указания о способах экспериментального или расчетного определения его численного значения;

      численные значения показателя.

      По  основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов различают:

      методы  прогнозирования,

      структурные методы расчета,

      физические  методы расчета.

      Методы  прогнозирования основаны на использовании  для оценки ожидаемого уровня надежности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения ПН объектов, аналогичных или близких к рассматриваемому по назначению, принципам действия, схемно-конструктивному построению и технологии изготовления, элементной базе и применяемым материалам, условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управления надежностью (далее - объектов-аналогов).

      Структурные методы расчета основаны на представлении  объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его элементов с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной математической моделью и вычислением ПН объекта по известным характеристикам надежности его элементов.

      Физические  методы расчета основаны на применении математических моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объектов (к достижению объектами предельного состояния), и вычислении ПН по известным параметрам нагруженности объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом особенностей его конструкции и технологии изготовления.

      Экспертные  методы основаны на использовании результатов  опроса экспертной группы, располагающей  информацией о надежности данной технологической системы и факторах, влияющих на качество изготовляемой продукции. Стандарт рекомендует использовать экспертные методы при невозможности или нецелесообразности использования расчетных, опытно-статистических или регистрационных методов (недостаточное количество информации, необходимость разработки специальных технических средств и т.п.).

      Методы  исследования и оценки надежности технических  средств и технологических процессов  обработки информации можно разделить на 4 группы: аналитические; экспериментальные; методы, основанные на статистическом моделировании; комбинированные.

      Под аналитическим исследованием надежности некоторой системы понимают расчет ее надежности на основе данных о надежности компонентов, структуре, условиях функционирования и режиме обслуживания. Применительно к информационно-вычислительным системам аналитическое исследование сводится к определению показателей безотказности и восстанавливаемости. Аналитическим путем может быть определено влияние различных факторов, найдены оптимальные требования к надежности ИС и ее компонентов, режимы технического обслуживания и т.д.

      Под экспериментальной оценкой надежности понимается определение и контроль различных показателей по результатам испытаний или наблюдений в процессе эксплуатации. Отличительной чертой экспериментальных методов является то, что они не требуют знания о надежности свойств компонентов системы. Экспериментальная оценка надежности ИС может реализовываться в двух вариантах: 1) организация специальных испытаний и 2) сбор статистических данных о работе системы в условиях нормальной или подконтрольной эксплуатации. Второй путь значительно дешевле первого, но результаты такой оценки формируются со значительным сдвигом во времени по отношению к моменту установки и сдачи системы. При экспериментальной оценки надежности решаются типичные задачи математической статистики, часто встречающейся на практике.

      Методы  статистического моделирования, как  и аналитические, требуют наличия данных о надежности компонентов. Метод статистического моделирования состоит в генерировании (с помощью случайных чисел) случайных отрезков времени безотказной работы и времени восстановления отдельных компонентов ИС, т.е. искусственном воспроизведении процесса функционирования системы. Комбинированные методы объединяют методы, рассмотренные ранее. Так, оценка характеристики отдельных компонентов ИС может устанавливаться в результате проведения экспериментов, а полученные результаты использоваться для статистического моделирования.

      Достоинством  методов статистического моделирования  является их универсальность для объектов любой структуры и при любых распределениях наработки на отказ и времени восстановления и может быть применен при отсутствии адекватных аналитических моделей.

Выводы  первой части

      1. Проведенный анализ показал, что  условия применения вычислительных систем допускают ее восстановление, поэтому за исключением критических систем, при расчетах надежности можно рассматривать вычислительную систему как восстанавливаемый объект общего назначения.

      2. Применение действующего стандарта  позволяет использовать в качестве количественной характеристики надежности – коэффициент готовности, определяемый как отношение времени исправной работы к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев изделия, взятых за один и тот же календарный период. Выбор именно коэффициента готовности оправдан еще и его широкой распространенностью, так в большинстве научно-технических публикаций в качестве оценки надежности используется, именно этот показатель надежности.

      3. Анализ известных методов оценки  надежности показал, что сложность и трудоемкость экспериментальных методов не позволяет их использовать для конфигурируемых не в промышленных масштабах ВС, методы статистического моделирования являются наиболее универсальными и могут быть применены для окончательного расчета надежности, учитывающего режимы работы элементов. Для ориентировочного расчета надежности на этапе выбора конфигурации наиболее оптимально использование структурного расчета надежности, основанного на анализе структуры системы и справочных данных о серийно-выпускаемых компонентах ВС.

2. Обоснование выбора методов оценки производительности для построения экспертных оценок