книги / Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.Л. Кон, М.М. Кулагина

НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА КОМПОНЕНТОВ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Сборник задач и упражнений

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

УДК 621.396.218.08 К 64

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор С.Ф. Тюрин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р техн. наук, профессор А.А. Южаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Кон, Е.Л.

К 64 Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем : сб. задач и упражнений : учеб. пособие / Е.Л. Кон, М.М. Кулагина. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,

2018. – 174 с.

ISBN 978-5-398-01954-4

Рассмотрены основы системного подхода к проектированию распределенных информационно-управляющих систем. Проанализированы способы организации данных систем на различных типах физической среды (металлический кабель, оптоволокно, радиоэфир). Освещены вопросы построения систем на базе полевых технологий. Приведены методы оценки показателей надежности и основных эксплуатационнотехнических характеристик сетей связи. Представлены контрольные вопросы и задания для самостоятельного изучения.

Учебное пособие составлено с учетом требований образовательной программы. Представлены возможности применения дистанционных технологий как при изучении теоретического материала, так при выполнении практических и лабораторных работ.

Может быть использовано при выполнении выпускных квалификационных работ и написании магистерских диссертаций. Для студентов, обучающихся по направлениям 210700 « Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и 220400 «Управление в технических системах» ФГОС третьего поколения.

УДК 621.396.218.08

2

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представленный вашему вниманию сборник задач и упражнений, по мнению авторов, способствует более глубокому пониманию и усвоению сложного материала учебного пособия Е.Л. Кона, М.М. Кулагиной «Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем».

Данный сборник содержит большой объем разнообразных задач и упражнений, которые позволяют закрепить знания, изложенные в названном пособии.

Настоящее учебное пособие составлено с учетом требований образовательной программы. Представлены возможности применения дистанционных технологий как при изучении теоретического материала, так при выполнении практических и лабораторных работ.

Вначале каждой главы книги дана краткая сводка теоретических сведений и формул, необходимых для решения задач, помещенных в главе.

Здесь же приводится большой объем задач, их решений и комментариев, способствующих пониманию теоретического материала и развитию умений и навыков использования приобретенных знаний в практической деятельности.

Впервой половине задачника размещаются десять тем, посвященных определению надежностных характеристик восстанавливаемых и невосстанавливаемых технических систем, а также решению некоторых видов задач, возникающих на этапе эксплуатации таких систем. Во вторую половину задачника входят восемь тем, посвященных различным проблемам технической диагностики, в том числе моделированию цифровых устройств для обнаружения критических состязаний, построению тестов для цифровых устройств, контролепригодному проектированию, Затрагиваются также вопросы построения систем встроенного контроля.

Учебное пособие ориентировано на подготовку к практическим занятиям, экзаменам и тестированию знаний и умений применять на практике методы расчета и модели надежности и технической диагностики сложных гибридных устройств и систем.

5

ТЕМА 1. НАДЕЖНОСТЬ ЦИФРОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И КОМПОНЕНТОВ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Условимся под цифровой информационной системой понимать любую совокупность цифровых компонентов и их связи, выполняющее заданные функции по сбору, обработке, передаче, хранению и отображению дискретной информации. Часть системы, которая выполняет определенные функции в составе целого, будем называть элементом или блоком. Предполагается, что блок состоит из элементов и что элемент уже не подлежит дальнейшему разделению на части. Иногда под системой понимают не только техническое устройство, взятое изолированно, но и среду, в которой оно функционирует, и обслуживающий персонал. Последние при этом выступают как элементы или блоки системы.

Каждая система может характеризоваться рядом параметров, одни из которых выступают как основные, а другие – как второстепенные. Первые характеризуют выполнение системой заданных функций, вторые – удобство эксплуатации, внешний вид и т.д. Система называется исправной, если она соответствует всем предъявляемым к ней требованиям, в частности требованию, чтобы все параметры системы, как основные, так и второстепенные, находились в некоторых заданных пределах. Выход из этих пределов любого параметра означает, что система неисправна.

Система работоспособна, если ее основные параметры находятся в пределах принятой нормы и если она нормально выполняет заданные функции. Работоспособная система может быть как исправной, так и неисправной. Утрата работоспособности называется отказом. В равной степени эти соображения относятся и к элементам (блокам) систем.

Отметим, что понятие «отказ элемента» в определенной мере условно. Действительно, работоспособность элемента определяется значениями основных его параметров. В то же время набор этих параметров и зоны их нормальных значений выбирают-

6

ся в зависимости от степени важности функций, выполняемых элементами в данной системе, их доступности при ремонте и т.п.

Следовательно, для двух совершенно одинаковых элементов, используемых в одной и той же системе, понятие отказ может быть сформулировано по-разному. Обоснование зон нормальных значений основных параметров связано с определенными трудностями. Задачи такого типа обычно решают исходя из соображений экономического характера.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность является одной из важнейших характеристик качества объекта – совокупности свойств, определяющих пригодность использования его по назначению. В отличие от других характеристик качества, надежность обладает следующей специфической особенностью. Обычные характеристики качества объекта, такие как быстродействие, емкость памяти, мощность потребления, масса и другие, измеряются для некоторого момента времени («точечные» характеристики качества). Надежность характеризует зависимость «точечных» характеристик качества либо от времени использования, либо от наработки объекта.

Наработка – продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами, единицами выработки и т.д. Различают суточную наработку, месячную наработку и т.д.

Надежность – сложное свойство. Оно включает в себя более простые свойства (составные части надежности, стороны надежности):

1. Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

7

2.Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся

вприспособленности его к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению работоспособности объекта либо путем проведения ремонта, либо путем замены отказавших комплектующих элементов.

Возникают две самостоятельные характеристики ремонтопригодности: приспособленность к проведению ремонта (ремонтопригодность в узком смысле) и приспособленность к замене в процессе эксплуатации (восстанавливаемость или заменяемость).

3.Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т.е. до наступления такого состояния, когда объект должен быть либо направлен в ремонт (средний или капитальный), либо изъят из эксплуатации.

4.Сохраняемость – свойство объекта сохранять работоспособность в течение (и после) его хранения и (или) транспортирования. Это свойство тоже расчленяется на более простые: сохраняемость в процессе (и после) хранения в специально приспособленном помещении; сохраняемость в процессе (и после) хранения

вполевых условиях; сохраняемость в процессе (и после) транспортировки по железной дороге и т.п.

5.Работоспособность – такое состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, удовлетворяя требованиям нормативно-технической документации. Работоспособность – характеристика состояния объекта в некоторый момент времени. Надежность – свойство сохранять работоспособность на некотором отрезке времени или при выполнении некоторого объема работы. Заметим, что работоспособным может быть и объект, содержащий неисправность.

Перечисленные выше свойства объектов – частные стороны надежности – являются общепризнанными и рекомендуются для широкого класса изделий. Однако оказалось, что для характеристики надежности информационно-вычислительной (и вообще цифровой) техники этих свойств недостаточно. Поэтому в практике нахо-

дят применение дополнительные частные свойства надежности:

8

1.Живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность (полностью или частично) в условиях неблагоприятных воздействий, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации.

При задании требований к надежности объекта обычно указываются нормальные условия его эксплуатации. Но к ряду объектов ответственного назначения могут быть предъявлены требования выполнять некоторые функции в условиях, существенно отличающихся от нормальных (даже катастрофически разрушающих). Требование живучести может быть сформулировано, например, так: «выполнять заданные функции на заданном интервале времени после разрушающего воздействия» или «сохранять частичную работоспособность после разрушающего воздействия» и т.д.

2.Достоверность информации, выдаваемой объектом. ЭВМ или тракт передачи информации могут обладать высокой безотказностью, хорошей долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью. Однако могут иметь место сбои, искажающие информацию.

В изделии «ломается», «портится» не аппаратура, а информация. Это не менее опасная «поломка», но она не находит отражения в перечисленных основных сторонах надежности. Поэтому и вводится еще одна дополнительная сторона надежности – достоверность.

На практике могут быть использованы и другие частные свойства надежности. В технических системах, например инфор- мационно-управляющих системах, обслуживающих ответственные промышленные процессы, основным является не выход из строя того или другого элемента, а вызванное им искажение информации, на базе которой принимаются управляющие решения.

Надежность систем при наличии программного обеспечения (а таких среди современных сложных систем большинство) можно разделить на два вида:

9

Аппаратурная надежность – обусловлена состоянием аппаратуры (может расчленяться на конструктивно-схемную надежность и производственно-технологическую надежность).

Программная надежность – обусловлена состоянием программы. Это понятие возникло относительно недавно, но приобретает все более важное значение. В данном задачнике будут рассмотрены некоторые вопросы программной надежности.

Большое количество различных сторон и видов надежности не означает, что всегда надо задавать и исследовать весь определенный вами перечень. В каждом конкретном случае надо выбирать такие стороны и виды надежности, которые необходимы для характеристики надежности объекта с учетом его целевого назначения.

Отказ объекта – событие, заключающееся в том, что объект либо полностью, либо частично теряет работоспособность. При полной потере работоспособности возникает полный отказ, при частичной – частичный отказ.

10