CC BY
32
Нуйкин Д. А. N4уИп D. А.
магистрант кафедры «Автоматизированные технологические и
информационные системы», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», филиал,
г. Стерлитамак, Российская Федерация
УДК 621
Кулакова Е. С. Kulakova Е. S.
кандидат технических наук, ассистент кафедры «Автоматизированные технологические и информационные системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», филиал,
г. Стерлитамак, Российская Федерация DOI: 10.17122/1999-5458-2021-17-1-113-119
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Актуальность
Современные системы управления производственными процессами в плане оперативной обработки информации имеют повышенные требования в области организации высоконадежных вычислений. Актуальность данного фактора выражается в том, что современные телекоммуникационные, вычислительные, управленческие и другие системы не должны приостанавливать свою работу ввиду причин, вызванных неисправностью производственных систем управления. Подобные приостановки в работе могут вызвать задержку выхода продукции, неисправность оборудования, потерю прибыли и др. Именно поэтому вопрос обеспечения надежности отказоустойчивости автоматизированной системы управления является наиболее актуальным и перспективным на сегодняшний день.
В современном мире интенсивными темпами развиваются технические системы, одними из которых являются автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Применение подобных систем представляет возможность увеличить производительность и эффективность технологических процессов в колоссальных масштабах. Необходимо отметить, что показатель эффективности АСУ ТП напрямую зависит от параметров и показателей системы в целом.
Одним из основных факторов, колоссально влияющих на данные системы управления, является надежность. Надежность — это показатель, который включает в себя определенное количество параметров. На сегодняшний день существует целый набор принципов обеспечения надежности. Одним из традиционных подходов к анализу надежности является анализ надежности на основе анализа безотказности системы. Стоит отметить, что на практике надежность автоматизированных систем управления определяется и иными показателями, к примеру безопасностью. Неосознанно надёжность объекта приравнивают к недопустимости отказов в работе автоматизированных систем. Данное значение надёжности в ограниченным смысле можно рассматривать как свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение определенного времени или определенной наработки. Можно также увидеть, что надёжность объекта состоит в отсутствии внезапных непозволительных изменений его качества во время эксплуатации, хранения. Надёжность непосредственно соприкасается с разнообразными сторонами процесса эксплуатации.
Data processíng facílítíes and systems
Надёжность в общепринятом понимании - комплексное свойство, которое обусловлено типом объекта, свойствами его эксплуатации, и также имеют в своем составе следующие свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость и различные сочетания этих свойств.
Актуальной на сегодняшний день задачей является разработка безопасных и в то же время безотказных систем, что достигается исключительно посредством использования и внедрения современных стандартов и технологий безопасности и надежности систем.
Цель исследования
Основной целью данной статьи является определение методов эффективности работы различных моделей надежности отказоустойчивой автоматизированной системы управления в технологической области.
Методы исследования
Для достижения данной цели в работе рассмотрено определение функции, а также назначение моделей надежности в целом. Поставлены задачи для достижения надежности автоматизированных систем управления. Описаны мероприятия, проводимые с целью установления текущих значений параметров надежности систем.
Результаты
Приведена классификация моделей надежности и выявлены основные преимущества отдельно взятых моделей, реализуемых на различных программных платформах.
Ключевые слова: модель, надежность, отказоустойчивость, автоматизация, система, оборудование, управление, вычисление, неисправность, оценка.
THE EFFICIENCY OF THE RELIABILITY MODELS OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM
Relevance
Modern production process management systems in terms of operational information processing have increased requirements in the field of organizing highly reliable computing. The relevance of this factor is expressed in the fact that modern telecommunications, computing, management and other systems should not suspend their work due to the reasons caused by the malfunction of production control systems. Such work stoppages can cause delayed output of products, equipment malfunction, loss of profit, etc. That is why the issue of ensuring the reliability of fault tolerance of an automated control system is the most relevant and promising today.
One of the rapidly developing technical systems in the modern world are automated process control systems. The use of such systems makes it possible to increase the productivity and intensity of technical processes on a huge scale. It should be noted that the efficiency indicator of the process control system directly depends on the parameters and indicators of the system as a whole.
One of the main factors that significantly affect these control systems is reliability. Reliability is an indicator that includes a certain number of parameters. There is a whole set of reliability principles today. One of the traditional approaches to reliability analysis is reliability analysis based on system reliability analysis. In practice, the reliability of automated control systems is determined by other indicators such as safety. Unconsciously, the reliability of an object is equated with the inadmissibility of failures in the operation of automated systems. This value of reliability in a limited sense can be considered as the property of an object to maintain an operable state for a certain time or a certain operating time. You can also see that the reliability of an object consists in the absence of sudden unacceptable changes in its quality during operation, storage. Reliability comes into direct contact with various aspects of the operation process. Reliability in the conventional sense is a complex property that is determined by the type of object, the properties of its operation, and also includes the following properties: reliability, durability, maintainability, preservation and various combinations of these properties.
The urgent task today is the development of safe and at the same time trouble-free systems, which is achieved exclusively through the use and implementation of modern standards and technologies for the safety and reliability of systems.
Aim of research
The main aim of this article is to determine the methods of efficiency of various models of reliability of a fault-tolerant automated control system in the technological field.
Research methods
To achieve this aim, the paper considers the definition of the function, as well as the purpose of reliability models in general. The tasks for achieving the reliability of automated control systems are set. The measures taken to establish the current values of the system reliability parameters are described.
Results
The classification of reliability models is given and the main advantages of individual models implemented on various software platforms are identified.
Keywords: model, reliability, fault tolerance, automation, system, equipment, control, calculation, fault, evaluation.
Оценка надежности отказоустойчивой автоматизированной системы управления технологическими процессами
Оценка надежности автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) осуществляется на начальных этапах проектирования с целью расчета требуемого уровня защищенности, производительности и погрешности готовой системы. Структурная сложность, многофункциональность, более строгие условия эксплуатации и высокая надежность проектируемых автоматизированных систем управления определяются необходимостью оценки надежности системы. Качество готовой автоматизированной системы зависит от безопасности, производительности и эффективности всего объекта управления [1]. Надежность системы автоматического управления определяется требованиями ГОСТ 24.701-86. В качестве показателей надежности системы стандарт выделяет: надежность
выполнения функций и риск возникновения аварий [2].
Проектная оценка проводится с целью определения основных конструктивных решений, способных обеспечить необходимый уровень надежности, безотказности и ремонтопригодности системы. Необходимо отметить, что оценка надежности проводится и для вновь создаваемых систем, и для модернизируемых АСУ ТП. Основная задача оценки надежности заключается в получении уровня надежности и безопасности для увеличения качества и эффективности предлагаемых систем управления. В результате сбора и обработки исходных данных о надежности системы, аппаратно-программных средств разрабатываются мероприятия по повышению надежности [3].
Мероприятия по оценке надежности включают следующие факторы, указанные на рисунке 1.
ф
I
Ф
ZT
О S
L с
к X
ё *
и
о
Q.
Ф
>
сбср данных о режимах, условиях и особенностях работы объекта
управления
определение числовых показателей, проектных параметров, норм
надежности
выбор коэффициентов запаса прочности и безопасности, критериев эфоекгивноси и отказоз
разработка типовой модели эксплуатации и выявление наиболее уяззимьх составных частей системы для повышения их надежности
оценка уровня надежности в соответствии с техническим заданием, программой обеспечения надежности, договором
Рисунок 1. Мероприятия по оценке надежности Figure 1. Reliability assessment activities
Data PROCESSiNG FACiLiTiES AND SYSTEMS
Уровень надежности оценивается по отдельным подсистемам, особенностям и схемам управления; по авариям и аварийным ситуациям, а также по всей конструкции автоматизированной системы управления. Целью оценки проекта является определение уровня безопасности технологических процессов, непрерывной работы устройства, системы автоматического управления в целом и ее составных частей. На основе этой информации разрабатываются рекомендации и мероприятия по повышению надежности и безопасности работы автоматизированной системы управления [4].
Для каждого подразделения предприятия существует два основных требования - это уменьшение затрат и поддержание непрерывности процесса. Самыми значительными производственными требованиями являются отказоустойчивость и снижение влияния человеческого фактора.
Рисунок 2. Задачи по обеспечению надежности Figure 2. Reliability objectives
Мероприятия по испытанию испытания аппаратуры и алгоритмов, а также отдельных их элементов с целью получения информации о надежности всех отдельных подсистем САПР
испытания программно-аппаратных комплексов и системы в целом с использованием информации о надежности аппаратуры
уточнение оценки надежности системы по результатам подконтрольной эксплуатации системы и ее частей
Рисунок 3. Мероприятия по испытанию автоматизированной производственной системы Figure 3. Activities for testing an automated production system
В связи с этим при разработке мероприятий по обеспечению надежности автоматизированных систем исполнитель решений сталкивается с рядом изначально противоречивых задач, указанных на рисунке 2.
Невозможно получить правильное решение всех четырех задач. Практически всегда процесс проектирования информационных систем носит компромиссный характер и проходит в наиболее актуальных направлениях по ходу решения задач, в порядке, описанном выше [5].
Испытание надежности автоматизированной производственной системы Требуется знать, что производство работ по испытанию автоматизированной производственной системы неизбежно растянуты по времени и включают в себя мероприятия, указанные на рисунке 3.
Примем во внимание, что лучшим рациональным решением задачи оценки надежности проектируемой системы в целом является расчетно-экспериментальный метод. Данный метод представляет собой сочетание натурных испытаний и расчетов, а также дальнейшее подтверждение полученных оценок с использованием ограниченного числа тестов. При использовании расчетно-эксперимен-тального метода необходимо учитывать, что для каждой крупной системы требуется разработка собственной методики испытаний, отражающей ее функции. Тестирование элементов, входящих в состав большой системы, следует рассматривать как предварительный этап тестирования всей системы [6].
Для уменьшения временных и финансовых затрат по планируемым испытаниям применяются специальные приемы, указанные на рисунке 4.
Конечный перечень работ по испытаниям надежности системы будет иметь совокупность взаимосвязанных испытаний, сопутствующих процессу устройства системы от стадии проектирования до введения в эксплуатацию. Требуется обратить внимание на то, что не допускается применение принципов организации испытаний надежности одного технологического производства при формировании испытаний других сложных программно-технических комплексов. Задачей ведения тестирования является мониторинг надежности проектируемой системы при ее развертывании [7].
Изучение работы моделей надежности отказоустойчивой автоматизированной системы Используемый термин «модель надежности программного обеспечения» относится к
математической модели. Данная модель создана для оценивания зависимости надежности программного продукта относительно нескольких определенных параметров. Довольно часто значения данных параметров являются известными или же могут быть получены в результате наблюдения и экспериментального исследования процесса работы программного обеспечения.
На рисунке 5 приведена классификация моделей надежности отказоустойчивой автоматизированной системы управления технологическим процессом. Указанные модели надежности программных продуктов классифицируются на аналитические и эмпириче ские.
Аналитические модели делятся на две группы: динамические и статические модели. В динамических моделях поведение (возникновение отказов) оценивается с течением времени. В статических моделях возникновение нарушений связано не со временем, а только с зависимостью числа ошибок от числа тестовых пробегов (по области ошибок) или зависимостью числа ошибок от характеристик входных данных (по области данных).
Эмпирические модели основываются на анализе структурных особенностей программного продукта. Данные модели анализируют зависимость показателей надежности относительно количества межмодульных связей, количества циклов, отношения количества прямолинейных участков и другое. Аналитические модели предоставляют возможность к расчету количественных показателей надежности посредством данных о поведении программы в результате тестирования [8, 9].
i-
m
cl
н
га
m
к
i
d>
о
к
ц
п.
_о
ф
x
cl
1=
ускоренно испытаний путем испольоооаиил таких режимоо САПР, которые приводят к ускорению процесса возникновения отказов
п peril оои pooai iho откаооо по изменению тех или иных парам строй объекта
использование предварительной информации о надежности аналогичных, ранее построенных систем, а также принципа накопления информации, полученной из различных источников
Рисунок 4. Приемы для снижения временных и финансовых затрат на испытания Figure 4. Methods to reduce the time and cost of testing
Data PROCESSiNG FACILITIES AND SYSTEMS
Для возможности применения динамических моделей требуется наличие данных о возникновении отказов во времени. При фиксации интервалов каждой неисправности в таком случае выходит непрерывная картина возникновения отказов во времени (группа динамических моделей с непрерывным вре-
менем). Может фиксироваться только число отказов за любой промежуток времени. В этом случае поведение модели может быть представлено только в дискретных точках (группа динамических моделей с дискретным временем) [8, 9].
Аналитические динамические модели
Модель Нумана
Модель Ла Пацула
M одельДжели некого — Моранды
Модель Пика — Волвертона
Модел= Муса
Модель перекодных вероятностей
Аналитические статические модели
Модель Миллса
Модель Лилова
Простая интуитивная модель
Модель последовательности испытаний Бернулли
Модель Коркооэна
Модель Нельсона
Модель сложности
|_ Модель, определяющая время доводки программ
Рисунок 5. Классификация моделей надежности программных средств Figure 5. Classification of software reliability models
Эмпирические модели
Выводы
Основной целью данной статьи являлось изучение эффективности работы различных моделей надежности отказоустойчивой автоматизированной системы управления в технологической области. В результате выполненной работы были решены следующие задачи: изучена оценка надежности отказоустойчивой автоматизированной системы управления технологическими процессами, изучено испытание надежности автоматизи-
рованной производственной системы, а также изучена работа моделей надежности отказоустойчивой автоматизированной системы. Также в работе были определены: мероприятия по оценке надежности, задачи по обеспечению надежности, мероприятия по испытанию автоматизированной производственной системы, приемы для снижения временных и финансовых затрат на испытания и классификация моделей надежности программных средств.
118-
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 17, 2021
Список литературы
1. Титов А.В., Харьковой А.А., Чука-нов В.О. Модели надежности программного обеспечения ответственного назначения // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика, телекоммуникации и управление. 2011. № 2 (120). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modeli-nadezhnosti-programmnogo-obespecheniya-otvetstvennogo-naznacheniya.
2. Василенко Н.В., Макаров В.А. Модели оценки надежности программного обеспечения // Вестник НовГУ 2004. № 28. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modeli-otsenki-nadezhnosti-programmnogo-obespecheniya.
3. Blagodatskikh V.A., Volnin V.A., Pos-kakalov K.F. Standardization of Software Development: Textbook / Ed. by O.S. Razumov. Moscow: Finance and Statistics Publ., 2003.
4. Хунов Т.Х. Анализ моделей прогнозирования надежности программных средств // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2016. № 19. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-modeley-prognozirovaniya-nadezhnosti-programmnyh-sredstv.
5. Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. СПб.: Питер, 2005.
6. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. 2-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2006.
7. Ruffing J.S. Windows 2008 Server R2 & SQL Server 2008 R2 High Availability Clustering. Scream Publications, 2011.
8. Weldon B.H., Rogers SB. HP ProLiant Servers: Official Study Guide and Desk Reference. Prentice Hall, 2004.
9. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2010.
10. Tulloch M. Introducing Windows Server 2008. Microsoft Press, 2007.
References
1. Titov A.V., Khar'kovoi A.A., Chuka-nov V.O. Modeli nadezhnosti programmnogo obespecheniya otvetstvennogo naznacheniya [Models of Reliability of Responsible Software].
Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peter-burgskogo gosudarstvennogo politekhni-cheskogo universiteta. Informatika, telekommu-nikatsii i upravlenie - Scientific and Technical Bulletin of the St. Petersburg State Polytechnic University. Computer Science, Telecommunications and Management, 2011, No. 2 (120). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modeli-nadezhnosti-programmnogo-obespecheniya-otvetstvennogo-naznacheniya. [in Russian].
2. Vasilenko N.V., Makarov V.A. Modeli otsenki nadezhnosti programmnogo obespe-cheniya [Software Reliability Assessment Models]. Vestnik NovGU - NovSU Bulletin, 2004, No. 28. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ modeli-otsenki-nadezhnosti-programmnogo-obespecheniya. [in Russian].
3. Blagodatskikh V. A., Volnin V.A., Poska-kalov K.F. Standardization of Software Development: Textbook. Moscow, Finance and Statistics Publ., 2003. [in Russian].
4. Khunov T.Kh. Analiz modelei prog-nozirovaniya nadezhnosti programmnykh sredstv [Analysis of Software Reliability Forecasting Models]. Novye informatsionnye tekhnologii v avtomatizirovannykh sistemakh -New Information Technologies in Automated Systems, 2016, No. 19. URL: https://cyber-leninka.ru/article/n/analiz-modeley-progno-zirovaniya-nadezhnosti-programmnyh-sredstv. [in Russian].
5. Cherkesov G.N. Nadezhnost' apparatno-programmnykh kompleksov [Reliability of Hardware and Software Systems]. Saint-Petersburg, Piter Publ., 2005. [in Russian].
6. Polovko A.M., Gurov S.V. Osnovy teorii nadezhnosti [Fundamentals of Reliability Theory]. 2nd ed. Saint-Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2006. [in Russian].
7. Ruffing J.S. Windows 2008 Server R2 & SQL Server 2008 R2 High Availability Clustering. Scream Publications, 2011.
8. Weldon B.H., Rogers S B. HP ProLiant Servers: Official Study Guide and Desk Reference. Prentice Hall, 2004.
9. Olifer V.G., Olifer N.A. Komp'yuternye seti [Computer Networks]. Saint-Petersburg, Piter Publ., 2010. [in Russian].
10. Tulloch M. Introducing Windows Server 2008. Microsoft Press, 2007.
