CC BY
89
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
1
УДК 004.652.4
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ СБОРА И ХРАНЕНИЯ ХРОНОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Лаптев Владимир Николаевич к.т.н., доцент
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», 350044, Россия, г. Краснодар, ул. Калинина 15, E-mail: mail@kubsau.ru
Сопильняк Юрий Николаевич к.пед. н.
ФКБОУ «Краснодарский университет МВД РФ» Краснодар, Россия, 500000, Россия, г. Краснодар, ул. Ярославская, 128
Дьяченко Роман Александрович к.т. н, доцент
Багдасарян Рафаэль Хачикович аспирант
ФГБОУ «Кубанский государственный технологический университет»,350007, Россия, г Краснодар, ул.Московская, 2
В статье рассматриваются вопросы повышения надежности систем сбора и хранения хронологических данных. Исследована надежность систем сбора хронологической информации, предложена методика, позволяющая на основе общего логико-вероятностного метода определить наиболее важные элементы, увеличение надежности которых приведет к значительному повышению надежности всей системы
Ключевые слова: СИСТЕМА СБОРА И ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ, АНАЛИЗ, НАДЕЖНОСТЬ
UDC 004.652.4
TO THE QUESTION OF RELIABILITY IMPROVEMENT FOR COLLECTING AND STORING HISTORICAL DATA
Laptev Vladimir Nikolaevich Cand.Tech.Sci., associate professor Kuban State Agricultural university, 350044, Russia, Krasnodar, Kalinina, 13, E-mail: mail@kubsau. ru
Sopilnyak Yuri Nikolaevich Cand.Ped.Sci.
Krasnodar University of Ministry of internal Affairs of the Russian Federation, 500000 Russia, Krasnodar, Yaroslavskaya, 128. E-mail: post@krdu-mvd.ru
Dyachenko Roman Aleksandrovich Cand.Tech.Sci., associate professor
Bagdasaryan Rafael Khachikovich postgraduate student
Kuban State Technological University, 500072 Russia, Krasnodar, Moskovskaya, 2
The article deals with improving the reliability of data collection and storage of historical data. Investigated the reliability of collecting historical information, the technique, allowing on the basis of general logical and probabilistic methods to identify the most important elements to increase the reliability of which will significantly increase the reliability of the whole system
Keywords: COLLECTION AND STORAGE, DATA ANALYSIS, RELIABILITY
Введение
Важным этапом проектирования систем сбора и хранения хронологических данных является проведение системного анализа показателей надежности информационной системы (ИС). Для определения показателей надежности проектируемой системы применяются методы общего логико-вероятностного моделирования и методика подбора типов элементов оборудования ИС с учетом требований надежности и минимизации общей стоимости [1, 2].
Основной задачей исследования является анализ показателей
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
2
надежности систем сбора и передачи хронологических данных. В ходе анализа необходимо провести поиск элементов системы, имеющих наибольшую значимость по критерию надежности, а также поиск путей повышения надежности системы в целом. Этапы исследования показателей надежности систем сбора и хранения хронологических данных состоят из следующих шагов:
1) построение и анализ структурной схемы системы;
2) построение логико-вероятностной модели системы;
3) расчет показателей надежности схемы систем сбора и хранения хронологических данных на основе логико-вероятностной модели системы;
4) анализ показателей надежности элементов системы, поиск показателей, повышение надежности которых приведет к увеличению показателей надежности всей системы;
5) разработка скорректированной структуры системы;
6) оценка степени повышения надежности системы.
1. Надежность простой системы сбора и хранения хронологических данных
Структурная схема простой системы сбора и хранения хронологических данных, контролирующая один объект, представлена на рисунке 1, где ТУ1-ТУ4 - точки учета, конечные элементы, осуществляющие сбор контролируемых параметров объекта (счетчики); УСПД - устройства сбора и передачи данных, используемые для получения данных с ТУ и их передачу центру сбора данных; ЦСД - центр сбора данных, осуществляющий сбор данных с УСПД и их передачу центру обработки данных; ЦОД - центр обработки данных, осуществляющий обработку полученных данных и их сохранение базе данных; СБД - сервер базы данных, осуществляющий хранение данных; Каналы связи - коммуникационные каналы (проводные, беспроводные).
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
3
Рисунок 1. Структурная схема простой системы сбора и хранения
хронологических данных
Рассмотрим простую систему сбора и хранения хронологических данных, состоящую из:
1) 1 сервера базы данных (СБД);
2) 1 центра обработки данных (ЦОД);
3) 1 центра сбора данных (ЦСД);
4) 1 устройства сбора и передачи данных (УСПД);
5) 4 счетчиков (ТУ);
6) 3 модемов, осуществляющих связь между элементами.
Г рафическая логико-вероятностная модель простой системы сбора и хранения хронологических данных, построенная в программном комплексе «Арбитр» [3], представлена на рисунке 2.
Показатели надежности системы были рассчитаны на основе общего логико-вероятностного метода.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
4
На логико-вероятностной модели системы присутствуют дополнительные элементы, не представленные на структурной схеме системы, такие как: модем - устройство, обеспечивающее связь между элементами; питание элементов от сети 220В; ИБП - источник бесперебойного питания.
Рисунок 2. Логико-вероятностная модель простой системы сбора и хранения хронологических данных
При построении модели учитывались характеристики серверов, коммуникационных каналов связи, модемов, источников бесперебойного питания и сети 220В. Простая система сбора и хранения хронологических данных относятся к типу восстанавливаемых систем. В качестве закона распределения интенсивности отказов используется экспоненциальный закон. Среднее время восстановления одного элемента после отказа составляет 2 часа.
Основными параметрами логико-вероятностной модели простой системы сбора и хранения хронологических данных, представленной на
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
5
рисунке 2, являются: число вершин N= 24; число элементов Н = 22.
Из рисунка 2 видно, что критерием моделируемой функционирования является выход фиктивной вершины у24 (номер 24).
Согласно расчетам, полученным в программном комплексе “Арбитр”, логические функции (Ус) работоспособности систем сбора и хранения хронологических данных имеют 216 конъюнкций, вероятностная функция содержит 217 одночленов.
Данные по наработки на отказ элементов системы приняты на основе информации производителей соответствующего оборудования. При расчёте надёжности были получены следующие данные наработки на отказ простой системы сбора и хранения хронологической информации: 1,163 лет. Значения статических вероятностей реализации исхода бинарных событий (элементов) рассчитаны в программном комплексе “Арбитр”.
На рисунке 3 представлена диаграмма вкладов элементов системы.
В результате расчетов были получены следующие надежностные характеристики простой системы сбора и хранения данных: коэффициент готовности 0,42526; средняя наработка на отказ 10184 часов (1,163 год); среднее время восстановления системы 2 часа.
Рисунок 3. Диаграмма вкладов простой системы сбора и хранения
хронологических данных
В целях увеличения надежности системы наибольший интерес представляет характеристика положительного вклада элемента, предоставляющая информацию о наиболее значимых элементах исследуемой системы.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
6
Таким образом, в ходе анализа графика вкладов простой системы сбора и хранения хронологических данных, изображенной на рисунке 3, было выявлено, что наиболее эффективными способом повышения показателей надежности системы является дублирование коммуникационных каналов, связывающих элементы системы.
2. Надежность системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами сбора данных
В большинстве случаев возникает необходимость применения распределенных систем сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных, пример структурной схемы такой системы представлен на рисунке 4, где обозначения: ТУ1-ТУ4 - точки учета, конечные элементы, осуществляющие сбор контролируемых параметров объекта (счетчики); УСПД1-УСПД2 - устройства сбора и передачи данных, используемые для получения данных с ТУ и их передачу центру сбора данных; ЦСД1-ЦСД2 - центр сбора данных, осуществляющий сбор данных с УСПД и их передачу центру обработки данных; ЦОД1-ЦОД2 - центр обработки данных, осуществляющий обработку полученных данных и их сохранение в базе данных; СБД - сервер базы данных, осуществляющий хранение данных; Каналы связи - коммуникационные каналы (проводные, беспроводные).
Графическая логико-вероятностная модель распределенной информационной система сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных, построенная в программном комплексе “ Арбитр”, представлена на рисунке 5.
Расчет показателей надежности системы проводится на основе общего логико-вероятностного метода.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
7
Рисунок 4. Структурная схема системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных
Система состоит из следующего набора элементов:
1) 1 сервера базы данных (СБД);
2) 2 центров обработки данных (ЦОД);
3) 2 центров сбора данных (ЦСД);
4) 2 устройства сбора и передачи данных (УСПД);
5) 8 счетчиков (ТУ);
6) 6 модемов, осуществляющих связь между элементами.
При построении модели учитывались характеристики всех компонентов системы. Системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных относятся к типу восстанавливаемых систем. В качестве закона распределения интенсивности отказов используется экспоненциальный закон. Среднее время восстановления одного элемента после отказа составляет 2 часа. Для распределенной системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных (см. рисунок 5) параметрами логико-вероятностной модели, являются: число вершин N= 43; число элементов Н = 40.Основным логическим критерием функционирования является выход фиктивной вершины у43 (номер 43).Согласно расчетам, полученным в программном
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
8
комплексе “Арбитр”, логические функции (Yc) работоспособности систем сбора и хранения хронологических данных (см. рисунок 5) имеют 31 конъюнкции, вероятностная функция содержит 227 одночленов.
Рисунок 5. Логико-вероятностная модель системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных
Данные по надёжности и наработки на отказ элементов системы приняты на основе информации производителей соответствующего оборудования. При расчёте надёжности были получены следующие данные наработки на отказ распределенной системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных: 8, 246 лет.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
9
Значения статических вероятностей реализации исхода бинарных событий рассчитаны в программном комплексе “Арбитр”.
В результате расчетов с применением программного комплекса “Арбитр” были получены следующие надежностные характеристики распределенной системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных: коэффициент готовности 0,
89483; средняя наработка на отказ 72235 часов (8,246 год); среднее время восстановления системы 2 часа. На рисунке 6 представлена диаграмма вкладов элементов системы.
Рисунок 6. Диаграмма вкладов системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных
Для анализа системы в целях увеличения ее надежности наибольший интерес представляет характеристика положительного вклада элемента, предоставляющая информацию о наиболее значимых элементах исследуемой системы. Из рисунка 6 видно, что для распределенной информационной системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных наиболее значимым является работоспособность сервера базы данных.
Таким образом, в ходе анализа графика вкладов системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных, изображенного на рисунке 6, было выявлено, что наиболее
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
10
эффективным способом повышения показателей надежности системы является дублирование сервера базы данных.
3. Надежность системы сбора и хранения хронологических данных с дублированием хранилища данных
Для повышения характеристик надежности распределенных систем сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки применяется дублирование хранилища данных. На рисунке 7 представлена графическая логико-вероятностная модель системы сбора и хранения хронологических данных с дублированием элемента сервера базы данных.
Рисунок 7. Структурная схема системы сбора и хранения данных с дублированием элемента базы данных
На рисунке 7 использовались обозначения, используемые на рисунке 5, дополнительно были введены следующие обозначения: СБД1-СБД2 -дублирующие сервера базы данных. Система состоит из следующего набора элементов:
1) 2 сервера базы данных (СБД);
2) 2 центра обработки данных (ЦОД);
3) 2 устройства сбора и передачи данных (УСПД);
4) 2 центра сбора данных (ЦСД);
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
11
5) 8 счетчиков (ТУ);
6) 6 модемов, осуществляющих связь между элементами.
Графическая логико-вероятностная модель распределенной информационной система сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных с дублированием сервера базы данных представлена на рисунке 8.
Рисунок 8. Логико-вероятностная модель системы сбора и хранения хронологических данных с дублированием элемента базы данных
Расчет показателей надежности системы проводится на основе общего логико-вероятностного метода. Для распределенной системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами сбора данных с дублированием базы данных (рисунок 8) параметрами логико-вероятностной модели являются: число вершин N= 49; число элементов
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
12
Н = 44.
Основным логическим критерием функционирования является выход фиктивной вершины у49 (номер 49)
Согласно расчетам, полученным в программном комплексе “Арбитр”, логическая функция (Yc) работоспособности системы сбора и хранения хронологических данных (рисунок 8) имеет 59 конъюнкции, вероятностная функция содержит 451 одночлен. Данные по надёжности и наработки на отказ элементов системы приняты на основе информации производителей соответствующего оборудования.
В результате расчетов с применением программного комплекса “Арбитр” были получены следующие надежностные характеристики простой системы сбора и хранения данных: коэффициент готовности 0, 98419; средняя наработка на отказ 81044 часов (9,252 год); среднее время восстановления системы 2 часа.
На рисунке 9 представлена диаграмма вкладов элементов системы. Положительный эффект от введения дублирующего элемента базы данных представлен в таблице 1. Таким образом, в ходе проведения мероприятий по улучшению характеристик распределенной системы сбора и хранения хронологических данных с несколькими центрами обработки данных (рисунок 4) были улучшены коэффициент готовности и средняя наработка на отказ системы путем дублирования сервера базы данных.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
13
Рисунок 9. Диаграмма вкладов системы сбора и хранения хронологических данных с дублированием сервера базы данных
Таблица 1 - Расчёт положительного эффекта от применения дублирования ________________ сервера базы данных_____________________________
Наименование Простая система Скорректированная система Изменение, %
Коэффициент готовности 0,89483 0,98419 +9,98625%
Средняя наработка на отказ (час) 72235 81044 +12%
4. Методика улучшения показателей надежности
Методика повышения надежности информационных систем сбора и хранение хронологических данных состоит из следующих шагов:
1) построение логико-вероятностной модели на основе
структурной схемы системы сбора и хранения хронологических данных;
2) расчет и анализ показателей надежности, выявление наиболее значимых элементов системы сбора и хранения данных;
3) разработка скорректированной структурной схемы системы сбора и хранения хронологических данных с дублированием наиболее значимых компонентов системы (либо заменой на аналогичные, но с лучшими показателями надежности);
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
14
4) сравнение характеристик надежности скорректированной и первоначальной модели системы, дополнительная
корректировка структурной схемы системы при необходимости.
IDEF-0 диаграмма полученной методики повышения надежности системы сбора и хранения хронологических данных приведена на рисунке 10.
Рисунок 10. IDEF-Одиаграмма методика повышения надежности информационных систем сбора и хранения хронологических данных
Заключение
В результате проделанной работы была исследована надежность систем сбора и мониторинга хронологической информации, предложена методика, позволяющая на основе общего логико-вероятностного метода определить наиболее важные элементы, увеличение надежности которых приведет к значительному увеличению надежности всей системы.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
Научный журнал КубГАУ, №101(07), 2014 года
15
Список литературы
1. Атрощенко В. А., Дьяченко Р. А., Багдасарян Р. Х., Решетняк М. Г. К вопросу оценки надежности системы мониторинга электроэнергетического комплекса коттеджного поселка// Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». 2013.
2. Можаев А. С., Громов В. Н. Теоретические основы общего логико-вероятностного метода автоматизированного моделирования систем. Спб.: ВИТУ, 2000.145 с.
3. Нозик А. А., Можаев А. С. Программный комплекс «АРБИТР» для моделирования, расчета надежности и безопасности систем // Информационный сборник: «Монтаж и наладка средств автоматизации и связи». 2007. № 2. С. 32-40.
References
1. Atroshhenko V. A., D'jachenko R. A., Bagdasarjan R. H., Reshetnjak M. G. K voprosu ocenki nadezhnosti sistemy monitoringa jelektrojenergeticheskogo kompleksa kottedzhnogo poselka// Jelektronnyj zhurnal «Sovremennye problemy nauki i obrazovanija». 2013.2. Mozhaev A. S., Gromov V. N. Teoreticheskie osnovy obshhego logiko-verojatnostnogo metoda avtomatizirovannogo modelirovanija sistem. Spb.: VITU, 2000.145 s.
3. Nozik A. A., Mozhaev A. S. Programmnyj kompleks «ARBITR» dlja modelirovanija, rascheta nadezhnosti i bezopasnosti sistem // Informacionnyj sbornik: «Montazh i naladka sredstv avtomatizacii i svjazi». 2007. № 2. S. 32-40.
http://ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/162.pdf
