книги / Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем.-1
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Е.Л. Кон, М.М. Кулагина
НАДЕЖНОСТЬ И ДИАГНОСТИКА КОМПОНЕНТОВ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
Рекомендовано УМО по образованию
вобласти инфокоммуникационных технологий и систем связи
вкачестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
210700 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации (степени) «магистр»
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 681.518.54+658.5.015.11[-192(075.8) К64
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор С.Ф. Тюрин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
кандидат технических наук И.Ф. Федорищев (ЗАО «ИВС», г. Пермь)
Кон, Е.Л.
К64 Надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем: учеб. пособие / Е.Л. Кон, М.М. Кулагина. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 395 с.
ISBN 978-5-398-00678-0
Изложены вопросы надежности и диагностики компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем.
Предназначено для студентов направлений подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 220400 «Управление в технических системах»», 090900 «Информационная безопасность» и специальности 090303 «Информационная безопасность автоматизированных систем». Может быть полезно студентам других специальностей.
УДК 681.518.54+658.5.015.11[-192(075.8)
ISBN 978-5-398-00678-0 |
© ПНИПУ, 2012 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................... |
9 |
1. Основные теоретические сведения............................................. |
12 |
1.1. Информационно-управляющие и инфокоммуникационные |
|
системы................................................................................................. |
12 |
1.2. Основные определения теории надежности............................... |
17 |
1.2.1. Надежность и ее частные стороны.................................... |
17 |
1.2.2. Виды надежности................................................................ |
20 |
1.2.3. Отказы.................................................................................. |
20 |
1.2.4. Эффективность.................................................................... |
21 |
1.2.5. Восстановление................................................................... |
22 |
1.3. Понятие случайных событий и случайных величин.................. |
23 |
1.3.1. Надежность систем при основном (последовательном) |
|
и параллельном соединении элементов...................................... |
26 |
1.3.2. Основное соединение элементов....................................... |
27 |
1.3.3. Параллельное соединение элементов ............................... |
27 |
1.4. Элементы теории нечетких множеств......................................... |
28 |
1.4.1. Понятие принадлежности и основные операции |
|
для четких подмножеств.............................................................. |
28 |
1.4.2. Понятие принадлежности и основные операции |
|
для нечетких подмножеств.......................................................... |
30 |
1.4.3. Отношение доминирования............................................... |
32 |
1.4.4. Простейшие операции над нечеткими множествами...... |
33 |
1.4.5. Расстояние Хэмминга......................................................... |
35 |
Выводы ................................................................................................. |
36 |
Вопросы и задания............................................................................... |
37 |
Список литературы.............................................................................. |
38 |
2. Надежность аппаратурного обеспечения .................................. |
39 |
2.1. Надежность невосстанавливаемых систем |
|
без резервирования.............................................................................. |
39 |
3
2.1.1. Показатели надежности невосстанавливаемых |
|
объектов ........................................................................................ |
39 |
2.1.2. Законы распределения случайных величин, |
|
используемые в теории надежности........................................... |
45 |
2.1.3. Использование λ и λ-характеристик для решения |
|
практических задач....................................................................... |
50 |
2.1.4. Особенности расчета надежности |
|
при проектировании различных систем..................................... |
54 |
2.1.5. Расчет надежности по блок-схеме системы..................... |
55 |
2.1.6. Расчет надежности при подборе элементов системы...... |
56 |
2.1.7. Расчет надежности системы с учетом режимов |
|
работы элементов......................................................................... |
56 |
2.1.8. Учет цикличности работы аппаратуры............................. |
57 |
2.2. Надежность невосстанавливаемых систем |
|
с резервированием............................................................................... |
58 |
2.2.1. Пути повышения надежности............................................ |
58 |
2.2.2. Методы резервирования .................................................... |
59 |
2.2.3. Расчет надежности сложных систем при постоянно |
|
включенном резерве..................................................................... |
61 |
2.2.4. Расчет надежности системы при резервировании |
|
замещением................................................................................... |
69 |
2.2.5. Резервирование замещением в случае нагруженного |
|
резерва........................................................................................... |
73 |
2.2.6. Резервирование замещением в случае облегченного |
|
резерва........................................................................................... |
73 |
2.2.7. Резервирование замещением в случае |
|
ненагруженного резерва .............................................................. |
75 |
2.2.8. Расчет надежности систем с функциональным |
|
резервированием........................................................................... |
78 |
2.3. Расчет надежности восстанавливаемых систем......................... |
84 |
2.3.1. Критерий надежности систем с восстановлением........... |
84 |
2.3.2. Расчет надежности по графу работоспособности |
|
объекта........................................................................................... |
87 |
4
2.3.3. Определение среднего времени наработки на отказ |
|
системы с восстановлением......................................................... |
94 |
2.3.4. Расчет надежности систем с восстановлением |
|
при основном (последовательном) и параллельном |
|
соединении элементов.................................................................. |
95 |
2.3.5. Расчет надежности сложных |
|
инфокоммуникационных систем................................................. |
102 |
2.4. Расчет надежности восстанавливаемых систем при наличии |
|
системы контроля ................................................................................ |
122 |
2.4.1. Система встроенного контроля абсолютно надежна....... |
124 |
2.4.2. Система встроенного контроля самопроверяемая |
|
с мгновенным обнаружением своего отказа .............................. |
127 |
2.4.3. Система встроенного самоконтроля |
|
несамопроверяемая....................................................................... |
129 |
2.5. Расчет надежности в условиях нечетко заданных исходных |
|
данных................................................................................................... |
133 |
2.5.1. Выбор оптимального варианта |
|
для невосстанавливаемых систем ............................................... |
136 |
2.5.2. Выбор оптимального варианта |
|
для восстанавливаемых систем................................................... |
144 |
2.6. Расчет надежности систем на этапе эксплуатации .................... |
154 |
2.6.1. Планирование и расчет периодов профилактик .............. |
154 |
2.6.2. Планирование и расчет числа запасных изделий............. |
159 |
Выводы ................................................................................................. |
162 |
Вопросы и задания............................................................................... |
165 |
Список литературы.............................................................................. |
166 |
3. Создание надежного программного обеспечения..................... |
167 |
3.1. Надежность программного обеспечения .................................... |
168 |
3.1.1. Ошибки в ПО и их типы .................................................... |
169 |
3.1.2. Причины появления ошибок в программном |
|
обеспечении .................................................................................. |
170 |
3.1.3. Отношения с пользователем (заказчиком) ....................... |
173 |
3.1.4. Принципы и методы обеспечения надежности................ |
174 |
5
3.1.5. Последовательность выполнения процессов |
|
разработки программного обеспечения...................................... |
177 |
3.1.6. Сравнение надежности аппаратуры и программного |
|
обеспечения................................................................................... |
178 |
3.2. Основные этапы проектирования программного |
|
обеспечения.......................................................................................... |
179 |
3.2.1. Правильность проектирования и планирование |
|
изменений...................................................................................... |
183 |
3.2.2. Требования к ПО................................................................ |
185 |
3.2.3. Цели программного обеспечения...................................... |
186 |
3.2.4. Внешнее проектирование .................................................. |
190 |
3.2.5. Проектирование архитектуры программы....................... |
199 |
3.2.6. Методы непосредственного повышения надежности |
|
модулей ......................................................................................... |
209 |
3.2.7. Проектирование и программирование модуля................ |
218 |
3.2.8. Стиль программирования.................................................. |
227 |
3.3. Тестирование и верификация программ..................................... |
239 |
3.3.1. Проблемы тестирования программ................................... |
240 |
3.3.2. Технологии тестирования программ................................. |
241 |
3.3.3. Принципы тестирования.................................................... |
245 |
3.4. Модели надежности ПО............................................................... |
249 |
3.4.1. Модель роста надежности ................................................. |
250 |
3.4.2. Другие вероятностные модели.......................................... |
253 |
3.4.3. Статистическая модель Миллса........................................ |
254 |
3.4.4. Простые интуитивные модели .......................................... |
257 |
3.4.5. Объединение показателей надежности............................. |
259 |
Выводы................................................................................................. |
263 |
Вопросы и задания............................................................................... |
264 |
Список литературы.............................................................................. |
265 |
4. Диагностика состояния сложных технических систем........... |
266 |
4.1. Предмет, задачи и модели технической диагностики ............... |
266 |
4.1.1. Предмет технической диагностики................................... |
266 |
6
4.1.2. Основные аспекты, задачи и модели технической |
|
диагностики................................................................................... |
269 |
4.1.3. Классификация диагностических процедур |
|
и их краткая характеристика........................................................ |
284 |
4.2. Построение тестов ........................................................................ |
289 |
4.2.1. Построение тестового набора методом активизации |
|
существенного пути...................................................................... |
291 |
4.2.2. Алгоритм построения тестового набора |
|
для комбинационной схемы методом активизации |
|
существенного пути...................................................................... |
292 |
4.2.3. Построение тестов для схем с памятью............................ |
294 |
4.3. Функциональный контроль и диагностирование сложных |
|
технических систем ............................................................................. |
307 |
4.3.1. Полностью самопроверяемые цифровые устройства...... |
308 |
4.3.2. Схемы встроенного контроля............................................ |
309 |
4.3.3. Схемы сжатия ..................................................................... |
310 |
4.3.4. Микропроцессор как объект функционального |
|
контроля ........................................................................................ |
314 |
4.3.5. Модель МП с точки зрения функционального |
|
контроля ........................................................................................ |
314 |
4.3.6. Диагностическая модель УУ МП системы....................... |
316 |
4.3.7. Критерии оценки методов контроля механизмов |
|
выборки, хранения и дешифрации команд................................. |
320 |
4.3.8. Встроенный функциональный контроль механизмов |
|
хранения и дешифрации команд................................................. |
321 |
4.4. Экспертные системы диагностирования сложных |
|
технических систем ............................................................................. |
358 |
4.4.1. Обучение и его модели. Самообучение............................ |
358 |
4.4.2. Экспертные системы и принципы их построения........... |
361 |
4.4.3. Проблема разделения в самообучаемых экспертных |
|
системах......................................................................................... |
362 |
4.4.4. Алгоритмы обучения экспертных систем ........................ |
363 |
4.4.5. АСУ ТП «интеллектуального здания».............................. |
371 |
7
4.4.6. Система, принимающая решения по максимальной |
|
вероятности................................................................................... |
374 |
4.4.7. Система, принимающая решения по наименьшему |
|
расстоянию.................................................................................... |
380 |
4.4.8. Повышение достоверности решений экспертной |
|
системы.......................................................................................... |
387 |
4.4.9. Прогнозирование технического состояния узлов............ |
388 |
Выводы................................................................................................. |
389 |
Вопросы и задания............................................................................... |
391 |
Список литературы.............................................................................. |
392 |
Приложение ........................................................................................ |
394 |
8
ВВЕДЕНИЕ
Современные информационно-управляющие системы (ИУС) образуют широкий класс информационно-промышленных систем
(ICS – industrial control systems), включающих распределенные авто-
матизированные системы управления технологическими процессами, использующих многофункциональные системы телемеханики, автоматизированные системы диспетчерского управления (SCADA), распределенные управляющие системы (DCS – distributed control systems).
Этот класс систем управляет соответствующими техническими процессами в промышленности и в различных сферах повседневной жизни общества, объединенных общим названием «критическая инфраструктура народного хозяйства». Поэтому ИУС в подавляющем большинстве случаев являются системами реального времени, и к ним предъявляются высокие требования в части надежности, доступности, отказоустойчивости и ремонтопригодности, которая обусловлена в первую очередь наличием встроенных и внешних систем функционального и тестового диагностирования.
Наряду с ИУС повсеместное распространение и применение получил широкий класс IT-систем, объединенный названием инфокоммуникационных систем (ИКС). Этот класс включает в себя телекоммуникационные сети, вычислительные сети, Интернет, интранет, корпоративные сети. К эксплуатационным характеристикам инфокоммуникационных систем предъявляются различные требования
взависимости от особенности их использования. Эти системы могут быть как системами реального времени, так и допускать задержки
вобмене информацией, перезапуск при отказах, но, как правило, предъявляют высокие требования к производительности и достоверности передаваемой информации.
Таким образом, ИУС и ИКС характеризуются повышенными требованиями к надежности, доступности, ремонтопригодности. По-
9
этому не вызывает сомнений актуальность тематики данного учебного пособия, посвященной всестороннему анализу проблемы обеспечения надежности невосстанавливаемых и восстанавливаемых сложных программно-аппаратных систем и их компонентов, а также рассмотрению вопросов построения и применения встроенных и тестовых систем диагностирования.
Всоответствии с поставленными задачами структура учебного пособия содержит четыре раздела.
Впервой главе (подразд. 1.1–1.3) приведены основные понятия
иопределения, используемые в теории надежности и технической диагностики. В качестве математического аппарата используется теория вероятности и теория нечетких множеств.
Во второй главе (подразд. 2.1–2.6) приведены различные методические подходы к расчету, анализу и обеспечению надежности аппаратной части невосстанавливаемых и восстанавливаемых систем
иустройств с использованием структурно-логических схем и формул надежности, а также аппарата марковских цепей.
Втретьей главе (подразд. 3.1–3.4) рассматриваются вопросы построения надежного программного обеспечения и подход к расчету надежности сложной программно-аппаратной системы с учетом надежности ее аппаратной и программной компонент.
Вчетвертом главе (подразд. 4.1–4.4) рассматриваются методы тестового контроля цифровых устройств, принципы построения встроенных самопроверяемых устройств функционального контроля, а также основы проектирования самообучаемых экспертных систем диагностирования.
Для лучшего усвоения материала студентами разных специальностей, изучающих проблемы повышения надежности, достоверности и доступности ресурсов систем, приводятся многочисленные примеры обеспечения и расчетов надежности, а также построения тестовых и встроенных функциональных систем диагностирования как для информационно-управляющих систем, так и для инфокоммуникационных систем и их отдельных компонент.
10